Monografias | Estudio de la utilización de un quemador de doble turbulizador estático (qdte) en el proceso de secado agroindustrial del arroz

Resumen
El trabajo trata sobre el análisis de factibilidad técnico-económico y ambiental de la introducción de un Quemador de Doble Turbulizador Estático (QDTE) para el secado agroindustrial del arroz en el secadero ” Emilio Lastre ”, en el mismo se expone todo el procedimiento de cálculo térmico, aerodinámico e hidrodinámico utilizado durante el diseño del quemador a partir de la realización de una búsqueda bibliográfica actualizada. El QDTE fundamenta su principio de funcionamiento en la combustión en suspensión total de las partículas de arroz (y otras biomasas), de manera tal que la biomasa combustible quema durante su recorrido por el volumen de la cámara de combustión. Pero, este quemador tiene como característica innovadora distintiva el perfeccionamiento del proceso aerodinámico donde se determinan tres conceptos novedosos: Escalonamiento (distribución) del aire en: primario y secundario, la turbulización de dos corrientes aerodinámicas: primaria y secundaria y la Co – combustión de biomasa con combustible fósil (Diesel).

Palabras claves: biomasa, combustión, quemador

I. INTRODUCCIÓN 
La crisis del petróleo hace más obvia la dependencia económica de los combustibles fósiles, como consecuencia de ello la necesidad de nuevas fuentes de energía se ha convertido en un asunto más urgente. Las fuentes de energía renovables están llamadas a proporcionar la solución a este problema puesto que ellas son inextinguibles y tienen un menor impacto adverso sobre el medio ambiente, en relación a los combustibles fósiles.

La existencia de un mayor interés y urgencias en las tecnologías aplicables a las fuentes de energías renovables (FER) se fundamentan no sólo en los beneficios ambientales, sino que también se sustenta en el fomento económico sustentable que estas fuentes ofrecen [ 8 ].

En la actualidad se vuelve a la biomasa buscando soluciones energéticas eficientes que permitan nuevas concepciones económicas de su aprovechamiento para obtener una serie de beneficios entre los que se encuentra la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera, fundamentalmente de CO2, causante del efecto invernadero y SO2 de la lluvia ácida. En efecto, el balance de producción de CO2 se estima es nulo, ya que el carbono liberado a la atmósfera ha tenido que ser previamente fijado de ésta en el proceso de la fotosíntesis y en cuanto al SO2, el nivel de contenido de azufre es bajísimo [ 8 ].

Un residuo agrícola que puede ser utilizado en un gran número de países para cubrir sus necesidades de energía es la cáscara de arroz, debido a su razonablemente elevado contenido de energía

Grandes cantidades de cáscara de arroz se generan anualmente como el mayor sub - producto de los molinos industriales. La producción anual mundial de arroz está alrededor de 500 millones de toneladas y asumiendo que el 20 % sea cáscara, la producción anual mundial de cáscara de arroz es de aproximadamente 100 millones de toneladas. A pesar de la tendencia al incremento del sobrante de cáscara de arroz, los métodos propios para su utilización tienen que ser aún desarrollados. Hoy día, la mayor parte del excedente de cáscara de arroz se destruye o elimina por medio de la combustión a cielo abierto, lo cual resulta en pérdidas de energía (calor), así como también en la emisión de varios contaminantes hacia la atmósfera. Sin embargo, muchos países tienen implantados nuevas regulaciones para limitar (restringir) la quema de la cáscara de arroz en el campo, principalmente por razones ambientales. Esto trae como consecuencia un mayor interés en utilizar la cáscara de arroz como una fuente de energía renovable. La conversión de la cáscara de arroz en combustibles líquidos o gaseosos será beneficio para los países que no tienen fuentes de energías convencionales, cuyas economías están atadas o limitadas a las industrias agrícolas y locales; además de la generación de energía, el propio uso de los combustibles derivados de la cáscara de arroz ayudará a eliminar los problemas del esparcimiento de los residuos y a reducir las condiciones ambientalmente peligrosas [16].

En Cuba, la situación del aprovechamiento de la cáscara de arroz es similar a la situación media existente en todo el mundo, es decir, es totalmente el uso que como combustible se le da a este residuo de la producción y por otra parte las empresas arroceras demandan una cantidad significante de energía térmica y eléctrica. Las tecnologías de combustión que aisladamente se han aplicado en las empresas arroceras son bastantes ineficientes, con el agravante de que emiten hacia la atmósfera mucha cantidad de partículas volátiles sobrepasando los valores límites adoptados en Cuba. Además, la ceniza producida contiene inquemados sólidos, lo cual le reduce su calidad como materia prima para otras industrias. El anterior marco referencial ofrece las oportunidades necesarias para la realización de trabajos investigativos encaminados hacia el uso útil de las fuentes renovables de energía y dentro de esta la utilización de la cáscara de arroz como biomasa subproducto de las empresas arroceras.

Problema Científico: El análisis integral de los aspectos térmicos, aerodinámicos, hidrodinámicos, económicos y ambientales del Quemador de Doble Turbulizador Estático (QDTE) utilizado para el secado agroindustrial del arroz en el Secadero “Emilio Lastre” no se ha realizado aún.
Hipótesis: La realización de los cálculos térmicos, aerodinámicos, e hidrodinámicos, para el calentamiento del aire con el calor producido por la combustión de la biomasa, unido al análisis económico y ambiental, puede ser el procedimiento para predeterminar las ventajas del Quemador de Doble Turbulizador Estático (QDTE) para quemar cáscara de arroz, con relación a los quemadores que se emplean actualmente para este propósito.

Objetivo General: Realizar el estudio de factibilidad técnico-económico y ambiental de la introducción de un Quemador de Doble Turbulizador Estático (QDTE) para el secado agroindustrial del arroz en el Secadero “Emilio Lastre”.

Objetivos específicos:
1. Realizar un estudio bibliográfico acerca del estado del arte del uso de la biomasa como fuente de energía.
2. Revisar el estado actual en que se encuentra la utilización de la cascarilla de arroz como combustible alternativo en los procesos de combustión y la posibilidad de introducción en nuestras industrias arroceras de una tecnología capaz de lograr niveles de eficiencia aceptables.
3. Determinación de los índices térmicos, aerodinámicos e hidrodinámicos del QDTE.
4. Obtener el dimensionamiento y las características de funcionamiento del QDTE para quemar cáscara de arroz. 
5. Realizar el análisis económico y ambiental de la combustión de la cáscara de arroz en un QDTE.

II. DESARROLLO
2.1. QUEMADOR DE DIESEL INSTALADO EN EL SECADERO “EMILIO LASTRE”, DE YARA.
El secadero “Emilio Lastre” ubicado en Cayo Redondo perteneciente al municipio Yara procesa el arroz que se cosecha en las superficies cultivadas de este grano en el CAI arrocero “Fernando Echenique”. 

El proceso del secado del grano del arroz se realiza en torres de secado; se utiliza como agente de calentamiento un flujo de gases caliente que provienen de un quemador de Diesel. En las torres se procesan 113,6 t (2 500 qq) por turnos de 8 horas, o sea procesan diariamente 341 t.

El grano pasa cuatro veces por las torres de secado para bajar la humedad de 24 % hasta 12 %.
El consumo de combustible es de 212.5 kg/h, unos 5 100 kg diarios. 

2.1.1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN DE COMBUSTIÓN Y DE CALENTAMIENTO DEL AIRE DE SECADO ACTUAL.
Sistema de Combustión del Gas oil - Diesel. Descripción.
El esquema tecnológico para el calentamiento de aire que se utiliza como agente de calentamiento en la torre de secado de arroz cáscara básicamente esta compuesto por un quemador Diesel, tubos de mezclado y el ventilador de gases calientes (VGC), como se puede apreciar en la Fig. 2.1
Cuando se produce la combustión de cierta cantidad de Gas oil - Diesel se produce un volumen total de los gases de la combustión (Vgc). Este Vgc al mantenerse a muy altas temperaturas, en comparación con la temperatura exigida por el secado (tS =60 a 70 oC), se realiza con una cierta cantidad de aire ambiente (Vad). Esta masa adicional de aire “frío” (Vad), al igual que los gases de la combustión (Vgc) son succionados por el ventilador de gases calientes (VGC) y en la descarga de este se obtiene una mezcla (gas de combustión + aire “frío”) que debe cumplir con las exigencias técnicas del proceso de secado, para lo cual se debe llevar el correcto control operacional.

Fig. 2.1 Esquema: Sistema de Combustión y Mezclado.

2.1.2. DESCRIPCIÓN Y FUNDAMENTACIÓN DEL ESQUEMA TÉRMICO DEL QDTE.
En la Fig 2.2 se muestra la representación esquemática de los procesos del calentamiento del aire para realizar el secado del grano utilizando la cascarilla de arroz como el combustible que oferta la energía que es demandada en las torres de Secado o Secadores.
Cuando se realiza la quema de cascarilla de arroz en el quemador con doble turbulizador estático, al igual que en otros sistemas de combustión de suspensión, una parte apreciable de las cenizas volante y de partículas incandescentes tienden a ser arrastradas con el flujo de los gases de la combustión por lo que no resulta recomendable enviar dichos gases directamente a las torres de secado, para evitar la posible contaminación e incendio del producto o arroz cáscara.

Fig 2.2 Representación esquemática del proceso de calentamiento de aire para el secado del arroz utilizando el QDTE.

En este esquema tecnológico se utilizan dos calentadores de aire tubulares (CAT) que utiliza como agente portador del calor los gases del esquema de la cascarilla. El primer CAT incrementara la temperatura de una determinada masa o flujo de aire, que es alimentado por el ventilador de aire y lo envía directamente a las torres de secados, el segundo CAT calienta otra determinada masa de aire suministrada también por el ventilador de tiro forzado VTF y la envía al QDTE para el proceso de combustión, esto contribuye al mejoramiento de la eficiencia del proceso de combustión y de toda la instalación térmica.

De esta manera el esquema tecnológico garantiza la energía necesaria en el proceso de secado y el de combustión, sin el riesgo de contaminación o incendio antes señalado.

Los gases de la combustión en su recorrido hacia CAT fluyen a través de un separador de cenizas volante, con el propósito de disminuir en lo posible el ensuciamiento de la pared interior de los tubos. Estos CAT deben estar provistos de tapas laterales para la inspección y limpieza de los tubos. El esquema tecnológico pudiera incluir separadores ciclónicos o ciclones intercambiadores de calor cuando se tenga como propósito producir cenizas como subproductos de alto valor agregado, además del calor para el proceso de secado.

Los gases a la salida del CAT se evacuan hacia la atmósfera a través de la chimenea, cuyo tiro efectivo debe superar la caída de presión en los CAT y demás conductos de gases. 

2.1.3. ASPECTOS POSITIVOS DE LA UTILIZACIÓN DEL QDTE.
El esquema térmico para el secado del grano de arroz utilizando su cáscara como fuente de energía mediante su combustión en el QDTE, tiene las siguientes características “atractivas”

El aire primario y secundario suministrado por la combustión a través del cuerpo del quemador y de la cámara de combustión se calienta hasta valores de temperatura alrededor de 80 oC, con lo cual se incrementa la eficiencia del proceso de combustión y de todo el esquema térmico.

La chimenea es calculada de forma tal, que su tiro efectivo sea mayor que la resistencia total ofrecida al movimiento de los gases, en todo su recorrido.

Sustitución y ahorro de una cantidad equivalente de la mezcla combustible Fuel Oil - Diesel con sus beneficios económicos y ambientales que ello implica.

Eliminación de las posibilidades de contaminación por olores desagradables producidos durante el secado cuando se le suministra directamente a las torres de secado los gases de la combustión. Ello eleva la calidad del producto final y mejor precio de venta. Aprovechamiento beneficioso de la biomasa, pues antes el afrecho o cáscara de arroz se incineraba en los llamados vertederos, hacia donde había que transportarlo.

2.1.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL QUEMADOR.
El quemador con doble turbulizador estático (QDTE) para quemar cascarilla de arroz y otras biomasas es una tecnología de combustión con características novedosas, la cual esta siendo estudiada y desarrollada por los investigadores del Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente (CEEMA).

Como parte de este nuevo desarrollo se calculó y fabricó un QDTE, a escala de prototipo Industrial para satisfacer la demanda de energía térmica de las torres de secado del CAI Arrocero Sur de Jíbaro. En este trabajo se pretende el diseño de un quemador de este tipo para el secadero “Emilio Lastre”. 

El QDTE fundamenta su principio de funcionamiento en la combustión en suspensión total de las partículas de arroz ( y otras biomasas), de manera tal que la biomasa combustible quema durante su recorrido por el volumen de la cámara de combustión. Pero, este quemador tiene como característica innovadora distintiva el perfeccionamiento del proceso aerodinámico donde se determinan tres conceptos novedosos:
Escalonamiento (distribución) del aire en: primario y secundario.
La turbulización de dos corrientes aerodinámicas: primaria y secundaria.
La Co – combustión de biomasa con combustible fósil (Diesel).

La corriente secundaria (aire secundario) se abastece a la raíz de la llama y es normal que se aplique cierto grado de turbulización o rotación. Este aire proporciona la mayor parte del oxígeno demandado en las etapas iniciales de la reacción de combustión de los constituyentes combustibles del combustible. También parte de este flujo se suministra a la zona donde se encuentran los compuestos volátiles para garantizar la demanda de oxígeno, productos gaseosos combustibles, que se desprenden o liberan desde la biomasa cuando penetra en la zona de alta temperatura de la cámara de combustión. En el QDTE la corriente secundaria es inyectada de manera tal que provoque una segunda ocasión al penetrar y ponerse en contacto con la corriente principal que emerge desde la ¨ Boca¨ del quemador hacia la cámara de combustión. Esto intensifica la combustión e incrementar la estabilidad de la llama. 

La corriente primaria compuesta por el aire primario y el flujo de biomasa a quemar, es también sometida a una Turbulización o rotación lo cual no es usual en los quemadores de combustibles sólido, y en particular para los quemadores de cascarilla de arroz.

La rotación de dos corrientes co – axiales suministradas a través del cuerpo del quemador, y de la cámara de combustión, hace que el quemador con doble turbulizador estático (QDTE) posea características innovadoras y novedosas para quemar cáscara de arroz y otras biomasas; con elevada eficiencia de la combustión, buena estabilidad de la llama y pequeño impacto ambiental. Además el QDTE está dotado de una caña para alimentar y quemar combustible Diesel al unísono con la biomasa. Esta alternativa tecnológica de la co – combustión aumenta la posibilidad de este quemador para ser utilizado en la producción de energía eléctrica a pequeña escala, así de una mejor capacidad y amplitud de respuesta ante las variaciones de potencia térmica. Es importante destacar que el consumo del Diesel previsto es insignificante en comparación con el nivel de consumo actual, pues se concibe como un combustible de apoyo ya que la biomasa es la encargada de satisfacer la demanda energética fundamental, estando entre los propósitos del perfeccionamiento de este diseño que el consumo de Diesel sea cero. El quemador de Diesel puede ser utilizado durante el encendido del equipo.

El proceso de secado se realiza, utilizando el calor de la combustión del Diesel, cuyos gases de combustión se mezclan con aire atmosférico y esta mezcla final es el agente portador del calor que se envía a las torres de secado. Al sustituir el diesel por la cascarilla de arroz se debe tener presente que los gases de combustión de la cascarilla no se pueden introducir directamente, como agente portador del calor en las torres. El sistema prevé un calentador de aire tubular, que es un equipo intermedio entre el quemador y las torres de secado. La potencia térmica del quemador de cascarilla de arroz debe tener en cuenta este detalle durante la etapa del diseño.

2.2. Análisis de los resultados
Un estudio completo y de tallado del Uso de la Biomasa para el secado agro-industrial del arroz, fue realizado en el Trabajo presentado en Opción al Título de Ingeniero Mecanizador Agropecuario por de la Rosa .2004 
Para determinar las ventajas que puede traer consigo la utilización de QDTE para el secado agroindustrial de arroz utilizando biomasa como fuente de energía. En el mismo se realizaron los siguientes cálculos:





Resultados Económicos
Después de haber realizado los análisis correspondientes podemos inferir que es factible realizar la inversión ya que presenta los beneficios correspondientes con este tipo de proyecto, entre los resultados podemos resaltar el ahorro de 90 USD por cada tonelada de cáscara de arroz consumida como combustible, lo que representa un total anual de 290 822 USD; por otro lado el ahorro de 1 224 t de combustible Diesel por año por concepto de la utilización de la cáscara de arroz. En la tabla 3.1, así como en la fig. 3.1 se muestra los indicadores económicos analizados donde el VAN tiene un valor de $ 1 154 677 al final de la vida útil, el TIR es de 30 % por lo que no existen grandes riegos al efectuar la inversión ya que el margen de seguridad es amplio, o sea existe un rango de confianza de la variación de la tasa de interés sin que esta pueda influir negativamente en la inversión a efectuar. Además otro indicador favorable es el tiempo de recuperación de la inversión que con solo 0,2 años (2 meses) hemos recuperado lo invertido.

CONCLUSIONES
1. La información científica que se presenta sobre el estado actual del arte del uso de la biomasa como fuente de energía por su extensión y actualidad, constituye en sí un resultado importante de este trabajo de diploma.
2. La sustitución del quemador de mezcla Fuel- Oil –Diesel por un QDTE, es factible desde el punto de vista técnico, económico y ambiental.
3. Con 2.94 t de cáscara de arroz se sustituyen 1 t de Diesel, con un ahorro anual de 290 822.4 USD y 90 USD / tca.
4. La liberación y combustión de las sustancias volátiles de los residuos agrícolas se produce por lo general a temperatura relativamente baja (250 a 300 oC), aportando la mayor proporción de calor liberado por unidad de masa y desempeñando un rol importante en las fases de diseño y explotación de los sistemas de combustión de la biomasa.
5. Se establece una metodología de cálculo termo - hidrodinámico que permiten establecer todas las dimensiones funcionales del Quemador de cascarilla de arroz con Doble Turbulizador Estático y que puede ser aplicada a todo equipo con estas características.
6. El análisis económico de la inversión del Quemador de Doble Turbulizador Estático demuestra que la misma es económicamente atractiva y conveniente, por la combinación efectiva de los indicadores económicos VAN (1 154 677 USD), TIR (30 %) y el PRI (0.2 años) .
7. El análisis cualitativo de los impactos socio- ambientales de las opciones energéticas presentadas, permiten considerar la cáscara de arroz como un combustible de muy bajo impacto sobre la sociedad y el medioambiente.

RECOMENDACIONES
1. Fabricar el Quemador de Doble Turbulizador Estático para la combustión de la cascarilla de arroz en el proceso de secado de este.
2. Implementar un sistema experimental que simule el funcionamiento del Quemador con Doble Turbulizador Estático en condiciones reales de explotación y realizar la evaluación del mismo isotérmicamente y con carga. 
3. Hacer las modelaciones tanto físicas como matemáticas con el objetivo de determinar toda la información que normalmente se procesa en estos casos: trayectoria descrita por la partícula cuando entra en la zona de altas temperaturas, las direcciones de las corrientes de aire primario y secundario y el efecto sobre el movimiento de las partículas una vez que interactúan, las dimensiones de la zona de flujo inverso ( ZFI ), etc.
4. Evaluar como se comporta la caída de presión que introduce el cambio de dirección del flujo del combustible sólido transportado neumáticamente y si se hace necesario suministrar aire adicional a través de los agujeros dispuestos alrededor del conducto de alimentación y de la cámara de combustión (aire terciario).
5. Realizar las correcciones en el supuesto caso de que sea necesario, tanto desde el punto de vista de diseño como en detalles constructivos.

BIBLIOGRAFÍA.
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5. Cápiro Chaviano Yunier. J. Curso 2001-2002. Cálculo para la modificación del horno de la empresa Procesadora de café “Eladio Machón” de Cumanayagua, a horno de capa deslizante cónica para quemar cáscara de café.
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10. González, M. Combustives e Fornalhas. CIENTEC, Porto Alegre (RS). (Notas de Aulas).p. 20.1980. 

Autores:
Ing. Alain Ariel de la Rosa Andino.*
MSc. Luis Zamora González**
Dr. Bienvenido Sarria López **
Fac. Ingeniería. Universidad de Granma *
Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente. Universidad de Cienfuegos**

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