Abstract

En los últimos años, Chile ha promovido el desarrollo e inclusión de energías renovables en su matriz energética, con el fin de cumplir con sus compromisos medioambientales. Dentro de estas energías: la solar, hidráulica y eólica cobran continuamente relevancia al disminuir sus costos de generación. No obstante, este tipo de energías son susceptible al cambio climático y generan incertidumbre en términos de disponibilidad y seguridad de abastecimiento. El primer capítulo de esta tesis muestra la situación país en términos de costo y disponibilidad de suministros energéticos renovables, concluyendo que la co-combustión de carbón con biomasa es una alternativa económicamente viable, que permitiría asegurar un abastecimiento continuo de potencia eléctrica, como también el uso de un combustible renovable que reemplace el carbón. La co-combustión es el proceso de co-quemar dos combustibles en un mismo equipo, presentando ventajas comparativas en términos de reducción de emisiones de gases polutantes (CO 2 , NO X , MP y SO 2 ). Sin embargo, su implementación en centrales nacionales requiere de un conocimiento fundamental, que era desconocido hasta el inicio de la presente tesis doctoral. Es por ello, que esta tesis estudia el proceso de co-combustión de carbón con biomasas con formación de depósitos de cenizas sobre superficies intercambiadoras, con el fin de identificar efectos a nivel de la transferencia de calor y la formación de emisiones polutantes. Las biomasas estudiadas corresponden a pino radiata y opuntia-ficus-indica, de forma de comparar una especie cactácea, que es posible de cultivar en la zona más árida del planeta y que concentra la mayor cantidad de centrales a carbón del país, con la especie de mayor abundancia en el país. La comparación es realizada a escala laboratorio, piloto e industrial. A partir de los ensayos a escala laboratorio, se observó que las biomasas presentan mayores concentraciones de P, K, Ca y Na que las muestras de carbón, las que permiten obtener una mayor capacidad de captación de azufre. Sin embargo, estos elementos promueven la formación de depósitos, al disminuir la temperatura de fusión de las partículas volantes. Se observó un mayor contenido volátil de las muestras de biomasas frente a la del carbón puro, indicando una mayor reactividad y una mayor velocidad de quemado de las biomasas. Durante esta etapa se obtuvieron las caracterizaciones físico-químicas (diámetro promedio de partícula, poderes caloríficos, entre otros), que permitieron desarrollar los ensayos a escala piloto e industrial. i Para evaluar el efecto real de co-combustionar carbón con biomasa, se desarrollaron experiencias a escala piloto. Estos ensayos fueron realizados en la planta piloto de lecho fluidizado de la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción. Esta planta posee una capacidad de alimentación combinada de carbón y pellets de biomasa de 50[kg h ], equivalente a una potencia térmica de 150 [kW]. Los ensayos de co-combustión fueron desarrollados para una potencia térmica de 54[kW], debido a limitaciones en el suministro de aire y a la resistencia de materiales, que impiden operar a una potencia mayor. El reemplazo de carbón por biomasa fue realizado a nivel de potencia térmica, en que un 10 y 14% de la potencia térmica total fue producida por la biomasa. Estos ensayos permitieron identificar los efectos producidos en términos de emisión de gases polutantes, la transferencia de calor a nivel del lecho denso y el efecto de los depósitos sobre superficies intercambiadoras. Concluyendo que, la co-combustión de carbón con pino permite reducir las concentraciones de CO, SO 2 y material particulado (PM), sin embargo, aumenta las concentraciones de NO respecto a la combustión de carbón puro. En cambio, la co-combustión de carbón con opuntia, tiende a aumentar las concentraciones de CO y PM, como a disminuir las concentraciones de SO 2 y NO con respecto a carbón puro. Entre las biomasas estudiadas, la opuntia posee una capacidad reductora de azufre mayor que el pino. No obstante, sus altas concentraciones de potasio, disminuyeron la capacidad de transferencia de calor en el lecho denso, asociado al aumento de tamaño promedio de las partículas caliente, producto de la capacidad aglomerante del potasio. En cambio, la co-combustión de carbón con pino, produjo una disminución en el tamaño de partícula, debido a la rápida combustión de las partículas en el lecho, favoreciendo la frecuencia de colisión entre las partículas y la superficie del intercambiador helicoidal, permitiendo obtener una mayor capacidad de evaporación de agua en el intercambiador helicoidal que en los ensayos de carbón puro y su co-combustión con opuntia. La inclusión de pino en el proceso de combustión de carbón, produce un aumento en el flujo de volátiles liberados en el ‘freeboard’. Estos volátiles al quemarse generan un aumento de la temperatura, una disminución de la densidad y con ello, un aumento de la velocidad de los gases, lo cual favorece la transferencia de calor por convección entre los gases calientes y los tubos intercambiadores. Para la simulación del proceso de combustión de carbón con formación de depósitos en el reactor piloto, se utilizó el software ANSYS Fluent. El modelo fue validado usando las ii -1 concentraciones de gases obtenidas de los ensayos en el reactor piloto. Este modelo permitió determinar la fracción, el tamaño y estado fundente de la superficie de las partículas que alcanzan el banco de tubos. Obteniendo un flujo de partículas igual a 1.4 [g h -1 ], con un tamaño promedio igual a 0.4 [mm] y que poseen una gran capacidad adhesiva, debido a que su superficie se encuentra fundida. Sin embargo, del flujo total de partículas sólo el 57.1% se deposita sobre el banco de tubos, producto de que las partículas siguen la trayectoria de los gases calientes asociado a su pequeño tamaño. Para evaluar los efectos producidos por la co-combustión de carbón con aserrín de pino a escala industrial, se desarrolló un modelo de dinámica de fluidos computacional usando el software ANSYS Fluent. La caldera simulada fue la Unidad 15 de carbón pulverizado de 150 [MW], ubicada en Tocopilla y perteneciente a la empresa Engie Chile (Ex E-CL). Para la validación del modelo se utilizaron mediciones de gases en la chimenea y condiciones de operación de la Unidad generadora, concluyendo que la inclusión de aserrín no afecta la capacidad para evaporar agua de la Unidad 15. Además, se observó que la inclusión de aserrín acelera el proceso de combustión de carbón, asociado a que el aserrín inicia su proceso de combustión antes que el carbón, por lo que genera una liberación temprana de calor, permitiendo que las partículas de carbón se calienten y alcancen rápidamente sus temperaturas de desvolatilización e ignición. Como visión general los experimentos y los modelos usados, son un aporte positivo en el estudio fundamental de la co-combustión y su misión de disminuir las emisiones. Particularmente, este trabajo muestra que cuando la situación geográfica no lo permite, es posible técnicamente reemplazar una fracción de la potencia eléctrica generada con carbón por biomasas alternativas, como la cactácea (opuntia) o residuos de biomasas lignocelulósicas (aserrín), produciendo un beneficio medioambiental.