Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA INDUSTRIAL TRABAJO FIN DE MÁSTER VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE LODOS DE EDAR MEDIANTE COGENERACIÓN Y BIOMASA Estudiante Larruscain, Quirós, Mikel Director/Directora De la Peña, Aranguren, Víctor Departamento Máquinas y Motores Térmicos Curso académico 2019 / 2020 Bilbao, 15, septiembre, 2020 2 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 3 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa RESUMEN TRILINGÜE Y PALABRAS CLAVE CASTELLANO • Título: Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa. • Resumen: el trabajo que se presenta a continuación contiene una propuesta de dimensionamiento de una instalación de valorización energética de lodos procedentes de Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). El proyecto tiene como objetivo ofrecer una solución viable a la gestión de las aguas residuales generadas en las urbes, dándoles una utilidad como combustible ecológico, capaz de autoabastecer el consumo eléctrico de toda la planta y siendo respetuoso con el medio ambiente. • Palabras clave: lodos, EDAR, valorización energética, biomasa, cogeneración. EUSKERA • Izenburua: HUAko lohien balorizazio energetikoa, kogenerazioaren eta biomasaren bidez. • Laburpena: jarraian aurkezten den lanak Hondakin Uren Araztegiko (HUA) lohien balorizazio energetikorako instalazio baten dimentsionamenduaren proposamena jasotzen du. Proiektuaren helburua hirietan sortzen diren hondakin uren kudeaketari irtenbide bideragarri bat eskaintzea da, erregai ekologiko gisa erabilgarriak izan daitezen, instalazioaren kontsumo elektrikoa hornitzeko gai izan daitezen eta ingurumena errespeta dezaten. 4 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa • Hitzgakoak: lohiak, HUA, balorizazio energetikoa, biomasa, kogenerazioa. INGLÉS • Title: Energy recovery from WWTP sludge by means of cogeneration and biomass. • Abstract: the following report contains a proposal for the sizing of an installation for the energy recovery of sludge coming from Waste Water Treatment Plant (WWTP). The aim of the project is to offer a viable solution to the management of waste water generated in cities, giving them a utility as an ecological fuel, capable of supplying electricity to the entire plant and being environmentally respectful. • Keywords: sludge, WWTP, energy recovery, biomass, cogeneration 5 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 9 2. OBJETIVOS Y ALCANCE ............................................................................................................ 12 3. ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 14 4. DESCRIPCIÓN DE UNA EDAR .................................................................................................... 16 4.1. INTRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE LAS EDAR .................................................................................... 16 4.2. LÍNEA DE AGUA ............................................................................................................................... 23 4.2.1 Pretratamiento ..................................................................................................................... 23 4.2.2 Tratamiento primario ........................................................................................................... 26 4.2.3 Tratamiento secundario ....................................................................................................... 28 4.2.4 Tratamiento terciario ........................................................................................................... 29 4.3. LÍNEA DE FANGOS ............................................................................................................................ 31 4.3.1 Espesamiento ....................................................................................................................... 31 4.3.2 Deshidratación...................................................................................................................... 32 4.3.3 Secado .................................................................................................................................. 33 5. ALTERNATIVA SELECCIONADA ................................................................................................. 35 5.1. DIGESTIÓN PARA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ........................................................................................... 35 5.2. DEPÓSITO EN VERTEDERO ................................................................................................................. 35 5.3. COMPOSTAJE.................................................................................................................................. 36 5.4. INCINERACIÓN ................................................................................................................................ 36 6. RESIDUOS GENERADOS. LODOS .............................................................................................. 38 6.1. ANÁLISIS DE LOS LODOS .................................................................................................................... 38 6.2. ANÁLISIS DE RESIDUOS ORGÁNICOS .................................................................................................... 40 7. DESCRIPCION DE LA INSTALACION........................................................................................... 43 7.1. PLANTA DE COGENERACIÓN .............................................................................................................. 43 7.1.1 Instalación de tratamiento de aire ....................................................................................... 45 7.1.2 Elemento motor .................................................................................................................... 46 7.1.3 Secadero ............................................................................................................................... 49 7.2. PLANTA DE BIOMASA ....................................................................................................................... 52 7.2.1 Caldera de lecho fluido ......................................................................................................... 53 7.2.2 Turbina de vapor - Alternador .............................................................................................. 57 7.2.3 Condensador ......................................................................................................................... 59 7.2.4 Desgasificador ...................................................................................................................... 60 7.2.5 Bomba de alimentación ........................................................................................................ 62 8. DIMENSIONAMIENTO INSTALACIÓN ....................................................................................... 63 8.1. PLANTA DE COGENERACIÓN .............................................................................................................. 63 8.1.1 Instalación tratamiento de aire ............................................................................................ 63 6 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 8.1.2 Secadero ............................................................................................................................... 66 8.1.3 Intercambiador de calor ....................................................................................................... 69 8.1.4 Motor alternativo de combustión interna ............................................................................ 71 8.1.5 Turbina de gas ...................................................................................................................... 72 8.1.6 Elección de la turbina de gas natural en el mercado ............................................................ 73 8.2. PLANTA DE BIOMASA ....................................................................................................................... 77 8.2.1 Caldera de lecho fluido ......................................................................................................... 78 8.2.2 Turbina - Alternador ............................................................................................................. 80 8.2.3 Condensador ......................................................................................................................... 84 8.2.4 Desgasificador ...................................................................................................................... 86 8.2.5 Bomba alimentación ............................................................................................................ 88 8.2.6 Rendimientos ........................................................................................................................ 90 9. MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN ............................................................................................. 92 9.1. MANTENIMIENTO PREDICTIVO ........................................................................................................... 92 9.1.1 Análisis de vibraciones .......................................................................................................... 92 9.1.2 Lubricación ........................................................................................................................... 94 9.1.3 Endoscopia............................................................................................................................ 95 9.1.4 Termografía .......................................................................................................................... 95 9.2. MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES ................................................................................... 95 9.2.1 Caldera ................................................................................................................................. 95 9.2.2 Turbina de vapor .................................................................................................................. 96 9.2.3 Bomba de alimentación ........................................................................................................ 98 9.2.4 Turbina de gas ...................................................................................................................... 98 9.2.5 Compresor ............................................................................................................................ 99 10. ANÁLISIS ECONÓMICO ......................................................................................................... 101 10.1. PRESUPUESTO ............................................................................................................................ 101 10.1.1 Presupuesto de ingeniería ................................................................................................ 101 10.1.2. Presupuesto de equipos ................................................................................................... 102 11. ANÁLISIS DE RENTABILIDAD ................................................................................................. 105 12. CRONOGRAMA – DIAGRAMA GANTT ................................................................................... 108 13. CONCLUSIONES.................................................................................................................... 112 14. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 114 15. ANEXOS ............................................................................................................................... 117 ANEXO I. PLANO COMPLETO DE LA INSTALACIÓN. .......................................................................... 118 ANEXO II. CALCULOS REALIZADOS EN EES. ...................................................................................... 119 ANEXO III. RESULTADOS. ................................................................................................................. 126 7 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Esquema general EDAR ................................................................................................... 16 Ilustración 2. Ciclo línea de agua ........................................................................................................... 19 Ilustración 3. Ciclo línea de fangos ........................................................................................................ 21 Ilustración 4. Funcionamiento EDAR completa ..................................................................................... 22 Ilustración 5. Rejilla de gruesos ............................................................................................................. 23 Ilustración 6. Canal desarenador ........................................................................................................... 24 Ilustración 7. Desarenador vortex ......................................................................................................... 25 Ilustración 8. Instalación de desengrasado ........................................................................................... 25 Ilustración 9. Planta de sedimentación ................................................................................................. 26 Ilustración 10. Proceso de flotación ...................................................................................................... 27 Ilustración 11. Depuración secundaria .................................................................................................. 28 Ilustración 12. Espesador de gravedad ................................................................................................. 31 Ilustración 13. Filtro de prensa .............................................................................................................. 32 Ilustración 14. Centrífuga ...................................................................................................................... 33 Ilustración 15. Secadero ........................................................................................................................ 34 Ilustración 16. Proceso deshidratación lodos ....................................................................................... 42 Ilustración 17. Planta de cogeneración ................................................................................................. 44 Ilustración 18. Instalación tratamiento de aire ..................................................................................... 46 Ilustración 19. Esquema MACI .............................................................................................................. 46 Ilustración 20. Esquema turbina de gas ................................................................................................ 48 Ilustración 21. Comparativa MACI y Turbina de gas ............................................................................. 49 Ilustración 22. Esquema secadero ......................................................................................................... 50 Ilustración 23. Planta biomasa .............................................................................................................. 52 Ilustración 24. Caldera de lecho fluido .................................................................................................. 54 Ilustración 25. Funcionamiento caldera de lecho fluido ....................................................................... 56 Ilustración 26. Turbina de vapor ........................................................................................................... 57 Ilustración 27. Condensador ................................................................................................................. 59 Ilustración 28. Condenador de un solo y de doble paso ....................................................................... 60 Ilustración 29. Desgasificador ............................................................................................................... 61 Ilustración 30. Bomba de alimentación ................................................................................................. 62 Ilustración 31. Secadero datos de partida ............................................................................................. 67 Ilustración 32. Secadero datos agua ..................................................................................................... 68 Ilustración 33. Secadero datos finales ................................................................................................... 69 Ilustración 34. Datos intercambiador de calor ...................................................................................... 70 Ilustración 35. Datos turbina de gas ...................................................................................................... 74 Ilustración 36. Esquema planta de biomasa.......................................................................................... 77 Ilustración 37. Esquema caldera de lecho fluido................................................................................... 78 Ilustración 38. Caldera de lecho fluidizado GE Power ........................................................................... 80 Ilustración 39. Esquema turbina - Alternador ....................................................................................... 81 Ilustración 40. Turbina de vapor SST - 300 ............................................................................................ 83 Ilustración 41. Alternador Leroy - Somer .............................................................................................. 83 8 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 42. Esquema condensador .................................................................................................. 84 Ilustración 43. Condensador Schmidt - Bretten .................................................................................... 86 Ilustración 44. Esquema desgasificador ................................................................................................ 87 Ilustración 45. Desgasificador ATTSU TERMICA .................................................................................... 88 Ilustración 46. Esquema bomba de alimentación ................................................................................. 89 Ilustración 47. Bomba de alimentación de KSB ..................................................................................... 90 Ilustración 48. Diagrama de Gantt ...................................................................................................... 110 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Análisis de residuos orgánicos de lodos .................................................................................. 41 Tabla 2. Fallos principales por vibración ............................................................................................... 93 Tabla 3. Presupuesto de personal ....................................................................................................... 101 Tabla 4. Presupuesto amortizaciones ................................................................................................. 102 Tabla 5. Presupuesto de ingeniería ..................................................................................................... 102 Tabla 6. Presupuesto de equipos ........................................................................................................ 103 Tabla 7. Presupuesto total .................................................................................................................. 104 ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1. Enfriamiento aire .................................................................................................................. 64 Gráfico 2. Purgas aire ............................................................................................................................ 65 Gráfico 3. Calentamiento aire ............................................................................................................... 66 9 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 1. INTRODUCCIÓN En este Trabajo de Fin de Máster se presenta una propuesta de una instalación de valorización energética a partir de una Estación de Depuración de Aguas Residuales (EDAR). En dicha instalación, se pretende obtener energía eléctrica a partir de la incineración de los lodos resultantes de la EDAR y, haciendo uso de la cogeneración, destinar parte del calor generado en el proceso al secado de los fangos, con el objetivo de obtener un ahorro energético y económico. El crecimiento de las urbes y el continuo desarrollo de la sociedad ha convertido la generación de residuos en una tarea de difícil gestión. Dentro de estos, las aguas residuales, cada vez con mayores contaminantes, necesitan determinados tratamientos capaces de depurarlas, con el objetivo de minimizar su efecto dañino en el medio ambiente. Para ello se utilizan las EDAR, instalaciones capaces de realizar una serie de tratamientos a las aguas residuales para reducir sus efectos nocivos sobre el medio ambiente. Hay que tener en cuenta que nada en la naturaleza tiene un rendimiento del cien por cien, de manera que es inevitable que se generen una serie de residuos. Por eso mismo su valorización energética, empleándolos como biomasa, puede ser una gran alternativa. Este aumento generalizado de la industria y de las ciudades está causando diversos problemas medioambientales. Uno de ellos, sino el más importante, es la generación de gases de efecto invernadero. Para paliarlo, diferentes instituciones, como las Naciones Unidas, llevan años tratando de adoptar medidas e involucrar a diferentes países en esta lucha. Es aquí donde nace el Protocolo de Kioto, firmado en el año 1997, un acuerdo con arreglo a la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) que constituye el único instrumento jurídicamente vinculante a escala mundial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, causantes en gran medida del calentamiento global que sufre el planeta. El objetivo principal del protocolo era lograr que entre 2008 y 2012 los países industrializados disminuyesen sus emisiones de GEI a un 8 % menos del nivel de emisiones generadas en 1990. Estos gases son: ➢ Dióxido de carbono (CO2). 16 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 4. DESCRIPCIÓN DE UNA EDAR 4.1. Introducción y tratamiento de las EDAR Una Estación Depuradora de Aguas Residuales es una instalación cuya función básica es recoger las aguas residuales de una determinada región, tanto urbanas como industriales, para someterlas a un tratamiento con el objetivo de reducir sus niveles de contaminación hasta alcanzar los limites legalmente establecidos. A este tipo de instalaciones llega una materia prima, como pueden ser aguas residuales de una determinada población, y sale un producto, el agua tratada, y subproductos, como pueden ser fangos y gases. En el siguiente esquema se representa la EDAR, la materia prima de entrada y los productos de salida: Ilustración 1. Esquema general EDAR Como ya se ha comentado, el objetivo principal de una EDAR es realizar una serie de tratamientos a las aguas residuales para obtener una serie de productos, los cuales tendrán unos fines determinados. Además, también se contemplan como objetivos: ➢ Protección del medioambiente a través de la reducción de la contaminación de las aguas tratadas. 17 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa - Eliminación de sólidos en suspensión, como pueden ser grasas, aceites o arenas. - Eliminación de compuestos nocivos para la salud como amoniaco o fosforo. ➢ Ahorro energético gracias a un sistema correcto de depuración de las aguas. ➢ Aprovechamiento eficiente de los subproductos que se obtienen tras el tratamiento de las aguas contaminadas. En el tratamiento existen dos productos finales: el agua depurada y el sólido o fango residual. Además de estos, también se pueden formar una serie de gases que no se suelen tener en cuenta, ya que se evacúan de forma inocua a la atmosfera. En primer lugar, las aguas residuales que llegan a una EDAR son de una procedencia muy diversa. En función de su origen, el tipo de tratamiento a efectuar puede sufrir variaciones que hay que tener en cuenta. En una EDAR se pueden encontrar, por lo menos, tres tipos de corrientes acuosas 1. Vertidos acuosos industriales. Pueden tener una naturaleza muy diversa incluso dentro de una misma fábrica o proceso. Es conveniente abordar la depuración o tratamiento de las diversas corrientes separadamente, pero sin embargo en la mayor parte de los casos esta opción no es viable y acaban mezclándose corrientes de muy diversa naturaleza. 2. Aguas pluviales o de escorrentía Se recogen de un estanque o depósito donde debe controlarse su calidad. En caso de no encontrarse presencia de tóxicos se evacuan directamente a la red de alcantarillado. 3. Aguas sanitarias 18 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Se deben enviar a la red de colectores que la autoridad local debe proveer para recoger las aguas de la zona de la EDAR. Cada una de estas corrientes requiere de un tratamiento específico, por lo que lo ideal es no mezclarlas y tratar cada una de ellas por separado. A pesar de que la legislación obliga a tener redes separadas, en la realidad la falta de infraestructura hace que habitualmente se mezclen las diversas corrientes. Esto lo único que hace es aumentar los costes y dificultar el trabajo posterior de tratamiento, ya que es más fácil eliminar un componente individual de una corriente de bajo volumen y alta concentración. Además, la mezcla puede generar gases tóxicos, inflamables o nuevos compuestos. Debido a esto, se utilizan diferentes equipos de mezcla con el objetivo de introducir las aguas residuales en la EDAR en las mejores condiciones posibles. En cuanto al tratamiento de las aguas residuales que llegan a la EDAR, este consta de cuatro fases o etapas bien diferenciadas: ✓ Pretratamiento. ✓ Tratamiento primario. ✓ Tratamiento secundario. ✓ Tratamiento terciario o avanzado. El objetivo del tratamiento no es más que corregir las características no deseables de dichas aguas, es decir, los contaminantes, de tal manera que su uso posterior pueda darse de acuerdo a la legislatura vigente. De esta forma, lo que se busca es eliminar sólidos en suspensión, material orgánico biodegradable y organismos patógenos o metales pesados. En el siguiente esquema se muestra, de manera general, cual es el proceso a seguir y el objetivo en cada una de las fases de la línea del agua: 19 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 2. Ciclo línea de agua Por otra parte, en el proceso de tratamiento de las aguas residuales se generan una serie de lodos, en los cuales se concentra toda esa contaminación eliminada del agua y cuyo tratamiento PRETRATAMIENTO: Eliminación de sólidos de gran tamaño TRATAMIENTO PRIMARIO: Eliminación de la materia en suspensión TRATAMIENTO SECUNDARIO: Eliminación de la materia orgánica biodegradable TRATAMIENTO TERCIARIO: Tratamiento específico de acuerdo al uso posterior del agua AGUAS RESIDUALES + MICROORGANISMOS + CONTAMINANTES AGUAS RESIDUALES + LODOS + GASES 20 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa y eliminación se hace difícil. Los dos principales focos de producción de fangos son el tratamiento primario y el tratamiento secundario. Estos fangos presentan las siguientes características: ❖ Poseen una gran cantidad de agua, entorno al 95-99%, por ello ocupan un volumen importante. ❖ Poseen gran cantidad de materia orgánica. Esto genera malos olores, ya que entran en descomposición rápidamente. ❖ Contienen una gran cantidad de organismos patógenos, por lo que pueden ser causantes de numerosas enfermedades. En función de la utilidad que se le vayan a dar a los fangos, el proceso de tratamiento de estos seguirá un camino determinado. En el caso de la incineración, por lo general, pueden darse tres fases dirigidas a reducir lo máximo estos problemas y tratarlos adecuadamente: ✓ Espesamiento. ✓ Deshidratación. ✓ Secado. En el siguiente esquema se muestra de manera esquemática la línea de tratamiento que deben seguir los fangos en una EDAR: 21 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 3. Ciclo línea de fangos Son procesos que, de no realizarlos de la manera adecuada, pueden suponer una gran amenaza para su entorno, de manera que deben estar perfectamente controlados. Por otro lado, de nada sirve todo este tratamiento si posteriormente se vierten esos fangos ya tratados en cualquier rio o vertedero. ESPESAMIENTO: Reducción del volumen de los fangos DESHIDRATACIÓN: Eliminación del agua contenido en los fangos SECADO: Eliminación del agua y acondicionamiento para la incineración de los fangos LODOS GENERADOS EN EL TRATAMIENTO PRIMARIO Y SECUNDARIO LODOS TRATADOS 22 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa En la siguiente figura se muestra el diagrama unifilar que siguen las aguas residuales al entrar en la EDAR, con todos los procesos previamente explicados: Ilustración 4. Funcionamiento EDAR completa AGLOMERACIÓN URBANA AGUAS RESIDUALES PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO PRIMARIO DECANTACIÓN PRIMARIA TRATAMIENTO SECUNDARIO DECANTACIÓN SECUNDARIA TRATAMIENTO TERCIARIO RESIDUOS DEL PRETRATAMIENTO LODOS PRIMARIOS LODOS SECUNDARIOS LODOS TERCIARIOS LODOS MIXTOS ESPESAMIENTO DESHIDRATACIÓN SECADO LODOS TRATADOS AGUAS DEPURADAS 23 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 4.2. Línea de agua 4.2.1 Pretratamiento Engloba a aquellos procesos que se sitúan a la entrada de la planta depuradora para eliminar residuos sólidos, arenas y grasas, que de no ser separados dañarían mecánicamente los equipos de las siguientes fases de tratamiento y sedimentarían en las tuberías y conductos de la instalación. Las principales operaciones de pretratamiento son: desbaste, desarenado y desengrasado. Desbaste Es una operación en la que se eliminan los sólidos de mayor tamaño del agua residual. El agua se hace pasar por rejas o tamices y tiene como objetivo separar todos aquellos materiales de tamaño excesivamente grueso que además de representar por sí una forma de contaminación (sólidos en suspensión), pueden dañar u obstaculizar las fases sucesivas de tratamiento. Existen diferentes tipos de dispositivos para ser utilizados, en función de la materia que se quiera eliminar y de su tamaño: - Rejillas de gruesos. - Rejillas de finos. - Rejillas de extrafinos. - Microtamices. Ilustración 5. Rejilla de gruesos 24 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Desarenado El proceso de desarenado se utiliza para separar la arena o grava arrastrada en suspensión por la corriente. Esta arena origina depósitos en canales y tuberías, abrasión y desgaste sobre los elementos mecánicos en movimiento y dificulta la eliminación y digestión de los lodos separados en los tanques de sedimentación al aumentar su densidad. En cuanto a los equipos utilizados en esta etapa del proceso, se pueden distinguir los siguientes tipos de desarenadores: - Canales desarenadores: consisten en hacer pasar el agua residual a través de un canal, de manera que se produzca la decantación de las arenas en el fondo del canal, manteniendo en suspensión por arrastre los sólidos en suspensión. - Desarenadores aireados: consiste en un canal que dispone de un colector provisto de difusores que crean un movimiento de tipo helicoidal al agua a su paso por el equipo. Las partículas más pesadas, caen en el fondo, y el giro del agua mantiene en suspensión las partículas orgánicas, sacándolas del tanque. - Desarenadores vortex: la forma del equipo obliga al agua a seguir una trayectoria circular tipo vortex dentro de un tanque circular de corto tiempo de retención, de forma que las partículas de arena decantan. Ilustración 6. Canal desarenador 25 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Desengrasado El desengrasado consiste en la separación de las grasas y aceites arrastrados por el agua residual. Las grasas en las aguas residuales crean numerosos problemas en el proceso de depuración, entre los que destacan: ❖ Adhesión a equipos, conductos o depósitos, dificultando la depuración. ❖ Obstrucción de las rejillas finas. ❖ Formación de una capa en la superficie de los decantadores que dificulta la sedimentación. Normalmente, la operación de desengrasado se lleva a cabo en el mismo recinto del desarenador, creando una zona de tranquilización donde se acumulan las grasas en su superficie, evacuándose por vertedero o barrido superficial. Ilustración 8. Instalación de desengrasado Ilustración 7. Desarenador vortex 32 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa haciendo que estas asciendan a la parte superior. Una vez allí son barridas por rasquetas, hasta una tolva de recogida. 4.3.2 Deshidratación Consiste en la eliminación de la mayor cantidad de agua posible, mediante un medio físico, de manera que se facilite el transporte y manejo de los lodos. Filtro de prensa El filtro prensa es un dispositivo de separación sólido-líquido que funciona según el principio de filtración a alta presión mediante un medio filtrante de malla relativamente tupida. La filtración se realiza por presión en cámaras estancas. La ventaja de esta técnica relativamente antigua reside en la producción de una torta, generalmente de más de un 30% de contenido en materia seca. Centrífuga Los fangos se pueden separar en dos fases distintas mediante la aplicación de una fuerza centrífuga, sin la barrera de un medio filtrante como con los filtros previamente explicados. El fango acondicionado se introduce en el equipo, a medida que un distribuidor giratorio reparte el fango hacia la periferia y lo impulsa en el espacio anular entre la cubeta y el tornillo. Por el efecto de la fuerza centrífuga, las partículas pesadas decantan y se depositan contra la pared interior de la cubeta. Ilustración 13. Filtro de prensa 33 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 4.3.3 Secado Por último, el secado permite eliminar una cantidad de agua que el proceso de deshidratación es incapaz de evaporar, permitiendo el uso de los fangos como residuo a incinerar. Secado térmico convencional En ellos la fuente de calor puede ser la combustión directa de un combustible convencional o el aprovechamiento del calor residual de los gases de escape y el agua caliente procedentes de un motor o turbina de cogeneración. Existen numerosos sistemas de secado cuyo principio de funcionamiento se basa en la transmisión de calor, ya sea por conducción de calor (contacto del fango con la estructura metálica caliente del secador), por convección (donde la corriente de aire de gases calientes entra en contacto con la masa de fangos a secar) y por radiación (donde la gran temperatura de la estructura metálica del secador emite radiación contra el fango a secar). En el mundo industrial lo normal es que el principio de funcionamiento de los secadores sea una combinación de uno o más de los sistemas descritos anteriormente. En todos los casos el vapor de agua y compuestos volátiles son transferidos a una corriente de gases que debe circular en circuito cerrado. Hay que señalar que, en España, lo más habitual es usar la cogeneración como fuente de calor para el secado térmico. Ilustración 14. Centrífuga 34 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 15. Secadero 35 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 5. ALTERNATIVA SELECCIONADA La generación de residuos, debido a la gran cantidad de los mismos que se generan, es un tema que requiere de una importante gestión. Hoy en día, debido al tamaño de las grandes ciudades, la cantidad de basuras, plásticos o vidrio que acaba en los contenedores es muy elevada. Dentro de estos, uno de los residuos con mayor volumen de generación son los lodos. Una vez tratados, los lodos pueden cumplir diferentes funciones, siendo las alternativas muy variadas. Dentro de estas, las más empleadas son: 5.1. Digestión para producción de biogás Uno de los posibles fines de los lodos está relacionado con la producción de biogás, ya que pueden ser utilizados como combustible alternativo una vez tratados. El método más utilizado para llevar a cabo esta operación es la digestión anaerobia. Esta técnica consiste en una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a biogás (formado principalmente por metano o dióxido de carbono) y un material estabilizado conocido como fango digerido. Las principales ventajas de esta alternativa son: - Estabilización del residuo obtenido tras la digestión anaerobia, lo que hace posible su uso material para compostaje, abono… - Generación de biogás como combustible para calderas y motores de cogeneración en las plantas de tratamiento. - Reducción del volumen de fangos. 5.2. Depósito en vertedero La alternativa más simple para la gestión de lodos es su deposición en vertedero. Mediante esta opción, simplemente se deben depositar los residuos finales de las EDAR en lugares acondicionados para ello. Entre sus principales desventajas se pueden encontrar: 36 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa - Bajo valor añadido - Pago de impuestos y tasas - Poco respetuoso con el entorno 5.3. Compostaje El compostaje de lodos de EDAR, junto con la adición de un agente desestructurante, permite obtener un producto de enorme potencial agronómico que puede aplicarse sin riesgos de fitotoxicidad, y que presenta una materia orgánica estable y un contenido de elementos nutritivos óptimo para la planta. Su uso está muy extendido al obtenerse a partir de un proceso simple y poco costoso. 5.4. Incineración Por último, se tiene la incineración. A partir de esta alternativa se consigue una reducción de los lodos de entre el 70 y 90 %, y se puede generar energía eléctrica, utilizando dichos fangos como combustible. Dentro de las diferentes opciones, la incineración cobra una gran importancia debido a las numerosas ventajas que ofrece respecto al resto de alternativas, como, por ejemplo: - Eliminación de una gran cantidad de lodos Mediante esta técnica es posible eliminar alrededor del 80% de los lodos finales de la EDAR, por lo que se convierte en una de las alternativas más eficaces a la hora de eliminar dicho residuo. - Posibilidad de obtener mayor cantidad de energía Tal y como ya se ha explicado, el objetivo de la incineración de lodos de EDAR no solo es deshacerse de dichos residuos, sino también generar una determinada cantidad de energía eléctrica, por lo que se les aporta un valor añadido a los mismos. - Alternativa probada, de manera que su uso está extendido y no suele dar problemas 37 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa No se trata de una técnica nueva, por lo que prácticamente no hay incertidumbre respecto a su uso. De esta forma, la probabilidad de éxito es mayor y es probable que los diferentes problemas que puedan aparecer tengan una solución viable. - Zona de población alta Si la zona en la que se instala la planta de valorización energética tiene una alta densidad de población, la cantidad de lodos que llegan a la EDAR es mayor a medida que dicha población aumenta, por lo que la cantidad de combustible disponible también aumenta. - Eliminación de todos los lodos a cambio de una energía limpia Además de deshacerte de un residuo y darle un determinado valor, la incineración de lodos está considerada como una energía limpia. Los lodos pertenecen al grupo de la biomasa, que alude a toda la materia orgánica procedente de plantas y deshechos susceptible a transformarse en energía. Como sus emisiones son consideradas neutras, se puede afirmar que se trata de una energía respetuosa con el medio ambiente. Por tanto, se concluye finalmente que la alternativa más adecuada para realizar la gestión de los lodos es la incineración de los mismos, ya que es la opción que mejor se adecua a las características de la zona y posee diferentes ventajas frente a las otras alternativas. 38 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 6. RESIDUOS GENERADOS. LODOS Las características de los lodos de depuración de una EDAR son diferentes en función de si se han tratado aguas de procedencia industrial, urbana o agrícola. Su análisis será por tanto diferente en cada uno de los casos y serán diferentes los análisis a realizar en función del uso que se les vaya a dar a dichos lodos. 6.1. Análisis de los lodos El análisis de lodos consiste en obtener diferentes datos de los compuestos o elementos contenidos en esos lodos, para verificar que sean aptos para un determinado uso. Cabe destacar que este tipo de análisis se hace generalmente cuando los lodos van a tener un uso agrícola, por lo que simplemente se mencionarán los tipos de análisis principales. Parámetros agronómicos Es importante obtener información relativa a la composición de los lodos cuando van a utilizarse en suelo agrícola. La medida de los siguientes parámetros se hace imprescindible: • pH • Conductividad eléctrica • Carbono • Nitrógeno • C/N • Hierro Metales Pesados Se establecen valores límites para la aplicación de los lodos de depuración a suelo agrícola ya que es la opción de tratamiento de los lodos más restrictiva. Estos límites son marcados por el Real Decreto 1310/1990. 39 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa • Cadmio • Cobre • Níquel • Plomo • Cinc Microorganismos patógenos El estudio de estos microorganismos vuelve a ser importante sobre todo si pueden limitar su uso agrícola. Aunque a diferencia de con los metales pesados, con los microorganismos patógenos no existe normativa. • Salmonella • Escherichia Coli • Coliformes totales y fecales Microcontaminantes orgánicos Es necesario tener información de los posibles contaminantes orgánicos que puedan existir en los lodos, con el fin de tener herramientas para combatirlos y estar preparados: • AOX: Compuesto orgánicos halogenados • DEHP: Di(2-Ethilhexil)-Ftalato • NPEs: Nonilfenol y nonilfenoletoxilados • LAS: Sulfatos de alquilbenceno lineales • PAHs: Hidrocarburos aromáticos policíclicos • PCDD/Fs: Dioxinas y furanos 40 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 6.2. Análisis de residuos orgánicos Los lodos, una vez atraviesan los diferentes tratamientos de la EDAR, poseen una serie de parámetros físico-químicos en función de las operaciones a las que han sido sometidos y de su procedencia. La caldera a utilizar en la valorización energética de los lodos variará en función de dichas características, por lo que el estudio de los fangos es una tarea imprescindible a la hora de diseñar la planta de valorización energética. A continuación, se indican valores medios de los lodos de una EDAR típica. PARAMETRO RESULTADO Resultados sobre materia húmeda pH 6,45 Conductividad (mmh/cm) 2,55 Humedad (%) 83 Resultados sobre materia seca Materia Orgánica (%) (calcinación) 65,7 Nitrógeno (%) 5,37 Fósforo (%) 0,27 Potasio (%) 0,37 Sodio (%) 0,32 Calcio (%) 4,03 Magnesio (%) 0,54 Cobre (ppm) 80 Manganeso(ppm) 437 Hierro (%) 1,05 Cinc (ppm) 420 Boro(ppm) 26 Cadmio (ppm) 1,1 Cromo(ppm) 289 41 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Níquel (ppm) 21 Plomo (ppm) 43 Mercurio (ppm) 0,21 Tabla 1. Análisis de residuos orgánicos de lodos Tal y como se aprecia en la tabla, la humedad a la que los lodos salen de la EDAR es muy alta, algo superior al 80%. Estos fangos, al poseer tal cantidad de agua, no pueden introducirse directamente en la caldera, de manera que deben ser secados anteriormente. Por ello, deben pasar por un proceso de deshidratación. Este está compuesto por dos etapas, ambas con el objetivo de reducir el contenido en agua de los lodos. Los equipos a utilizar son: ➢ Filtro de prensa El objetivo del filtro de prensa es eliminar la mayor cantidad de agua posible realizando un prensado de los lodos. Esta etapa es capaz de eliminar alrededor del 15 % del agua de los lodos. ➢ Secadero Una vez salen los lodos del filtro de prensa, siguen conteniendo demasiada cantidad de agua como para que la valorización sea rentable, por lo que se introducen en un secadero, cuyo objetivo es el mismo que el del equipo anterior, pero en este caso se pretende eliminar, a partir de un secado convencional, esa cantidad de agua que el filtro de prensa no ha sido capaz de eliminar. Así, los lodos salen del secadero con 25 o 30 % de agua, lo cual permite que su valorización energética sea rentable. Debido a esto, este dispositivo es vital dentro de la instalación, ya que permite eliminar gran cantidad del agua de los lodos, con el objetivo de que su valorización energética sea rentable. Finalmente, una vez los fangos salen del secadero, su poder calorífico inferior, que es lo que realmente interesa a la hora de valorizarlos energéticamente, será el adecuado para obtener una rentabilidad aceptable. A continuación, se muestra un esquema con el proceso que deben seguir los lodos para eliminar la cantidad de agua necesaria para que su valorización energética sea viable: 48 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa o Energía eléctrica. o Compresor: aire comprimido acciona una biela manivela. Para situaciones de emergencia o apagón eléctrico. 2. Turbina de gas El esquema de la turbina de gas es el siguiente: Ilustración 20. Esquema turbina de gas En este caso los gases de escape salen a unos 500 ºC. Los gases residuales se llevan a una caldera de recuperación, a un secadero o a un sistema post – combustión. El rendimiento energético es del 30 – 35 %. Las turbinas de gas trabajan con mayor exceso de aire que los MACI. De esta forma, al aumentar la proporción de oxígeno en la combustión, se disminuye controladamente la temperatura de combustión en la cámara, y así se evitan los desgastes producidos en los álabes del expansor provocados por las elevadas temperaturas. Los humos procedentes de turbina de gas, al contener un elevado contenido en oxígeno, se pueden emplear como aire comburente en hornos. Esto no ocurre con los MACI. En la siguiente imagen se muestra un esquema de los humos en un MACI y en una turbina de gas: 49 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 21. Comparativa MACI y Turbina de gas 7.1.3 Secadero Este equipo se basa en utilizar los gases de escape del elemento motor (indirectamente, ya que es el aire calentado por estos el encargado de secar los lodos) para calentar los lodos y así ahorrar parte de ese consumo eléctrico necesario en el secadero. Con esto se justifica el uso de la cogeneración, ya que el secadero demanda una gran cantidad de energía calorífica para llevar a cabo el secado. De esta forma, se consigue un ahorro económico y se es respetuoso con el medio ambiente. El secado supone una de las operaciones más importantes a la hora de valorizar lodos de EDAR, ya que, de no realizarlo correctamente, la valorización energética no será rentable. El método más habitual es el denominado secado directo con trómel, y es una tecnología de secado a alta temperatura. A continuación, se explica el proceso de secado directo con trómel, representando su operación en el esquema siguiente: 50 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 22. Esquema secadero El producto húmedo (4) se introduce en el trómel (5), donde es transportado mecánica y neumáticamente al mismo tiempo que se deshidrata por medio de los gases calientes (3) que se generan en el elemento motor (2). Las partículas ligeras se transportan rápidamente a través del trómel, mientras que las partículas más pesadas permanecen más tiempo en la corriente de aire caliente, y por lo tanto alcanzan el mismo contenido de humedad a la salida del trómel. El producto (7) se separa de los gases de deshidratación en un cajón decantador y posteriormente en un ciclón (6). Los gases de deshidratación, junto con el agua evaporada, se emiten a la atmósfera directamente a través del ventilador principal (9). El secadero que se elige es del fabricante PRODESA. Las dimensiones principales del secadero son: ➢ Longitud: 20m. ➢ Diámetro: 3m. ➢ Velocidad de giro: 3 r.p.m. Mientras que las ventajas más significativas a la hora de trabajar con este equipo son: - Bajo consumo energético. - Tecnología totalmente probada. 51 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa - Óptima calidad de producto. - Operación automática. 52 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 7.2. Planta de Biomasa La planta de biomasa es el lugar en el que los lodos van a ser incinerados con el objetivo de obtener energía eléctrica. Dicha instalación va a estar formada por un ciclo Rankine. Éste es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico. La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. Esto se consigue con una selección cuidadosa de las condiciones de operación de la caldera (presión y temperatura a la que genera el vapor), y del condensador (presión de operación), así como con la incorporación de recalentamientos entre diferentes etapas de expansión y calentamientos regenerativos del agua de alimentación. Ilustración 23. Planta biomasa 53 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Este tipo de ciclo utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, normalmente agua, aunque también pueden usarse otros tipos de sustancias. Mediante la quema de un combustible (en este caso lodos), el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje, y este, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la planta. El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, donde condensa y cambia a estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. La elección de este procedimiento es básicamente por dos razones: • Fácil de controlar. • Gran valor añadido, por la obtención de energía eléctrica. Para ello, la instalación de valorización energética va a estar compuesta por diferentes equipos, los cuales compondrán el ciclo Rankine. Los elementos principales de la planta son: ❖ Caldera de lecho fluido ❖ Turbina de vapor + alternador ❖ Condensador ❖ Desgasificador ❖ Bomba de agua 7.2.1 Caldera de lecho fluido Una caldera es un dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la presión atmosférica. Su objetivo es aumentar la entalpía del fluido de trabajo, que 54 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa generalmente es agua debido a sus características termodinámicas. Además, el agua es de bajo coste, fácil de manejar y de nula toxicidad. El aumento de entalpía se da en tres zonas diferenciadas dentro de la caldera: 1. Economizador: donde el agua aumenta su temperatura desde las condiciones de entrada hasta las de líquido saturado. Este equipo se encarga de transferir el calor residual al agua de alimentación de la caldera o al circuito de agua de retorno, pero también puede ser usado para calentar agua doméstica u otro fluido de proceso. 2. Evaporador: donde el agua cambia de fase, de líquido saturado a vapor saturado. 3. Sobrecalentador: donde el vapor saturado se calienta hasta alcanzar las condiciones de vapor sobrecalentado. Se utiliza solamente en aquellas calderas que generen vapor sobrecalentado. Ilustración 24. Caldera de lecho fluido 55 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Por otro lado, los elementos principales de una caldera son: - Quemador: lugar donde se produce la mezcla de combustible y de aire comburente. - Hogar: zona dentro de la caldera donde tienen lugar la combustión. - Zona de tubos: constituida por el economizador, evaporador y sobrecalentador. - Sistema de control: para controlar parámetros fundaménteseles como la temperatura de entrada y salida del agua, y del vapor, la presión y caudal de vapor, etc. Proceso de fluidización El término fluidización se emplea para describir un tipo de proceso o fenómeno consistente en el contacto entre sólidos y fluidos, de modo que las partículas sólidas aparecen suspendidas en el fluido, que se mueve a través del lecho formado por dichas partículas, en dirección vertical y sentido ascendente. De esta manera, el suelo del hogar de la caldera está formado por orificios por donde entra el aire primario, a una presión superior a la que lo hace en las calderas de parrilla. Se pretende con esto que el combustible sólido se mantenga flotando mientras se produce la combustión, dándose la fluidificación. Además, cuando se queman lodos, se pone una base de arena y cenizas para sustentar el lodo sobre las entradas de aire. Los lechos fluidos presentan una serie de características ventajosas con vistas a su utilización en procesos industriales: 1. La distribución de temperaturas es mucho más uniforme que en un lecho fijo o móvil, llegando a condiciones casi isotérmicas. 2. El tamaño de partículas es de un orden de magnitud menor que en un lecho fijo o móvil, aumentando la superficie de contacto gas-sólido. 56 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 3. La velocidad de transferencia de calor entre el gas y las partículas es mayor que en los lechos fijos y, debido a eso, permiten una más fácil recuperación del calor contenido en los sólidos residuales. Ilustración 25. Funcionamiento caldera de lecho fluido Composición y profundidad del lecho La materia constitutiva del lecho está formada, como consecuencia del efecto de la combustión, por los siguientes componentes: ➢ Combustible, principalmente en forma de partículas casi sin volátiles. ➢ Cenizas procedentes de la materia mineral del combustible. ➢ Aditivo inerte, que es necesario en algunos casos, como pueden ser la arena y la alúmina. La profundidad del lecho puede variar desde 15-20 cm hasta 0,81,0 m o más, dependiendo del grado de desulfuración requerido. Por otro lado, el parámetro clave de diseño es la altura del lecho o altura de la pila de biomasa. Si la altura fuera muy grande, el aire primario no atravesaría la masa y se obturaría, por lo que no se produciría la combustión. Si la altura bajara mucho, el 57 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa tiro sería tan fuerte que no encontraría resistencia, por lo que la combustión sería muy mala y se formaría una polvareda muy grande. 7.2.2 Turbina de vapor - Alternador La turbina es el equipo encargado de transformar energía potencial en forma de presión de vapor en energía cinética de rotación. El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y la expansión de este vapor en el interior de la carcasa hace girar los álabes, unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una temperatura inferior. La mayor parte de la energía perdida por el vapor entre la entrada y la salida se emplea en mover el rotor, y una pequeña parte se pierde en forma de roces del vapor con partes fijas, rozamiento del eje en los cojinetes, pérdidas de calor por la carcasa en forma de radiación, conducción o convección, y fugas de vapor, internas o externas. Ilustración 26. Turbina de vapor Más del 50 % de la energía eléctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. La turbina es un equipo tan conocido y robusto que si se respetan una serie de normas elementales tiene una vida útil larga y exenta de problemas. 64 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 𝐻𝑟1=90 % Utilizando el diagrama psicrométrico se irán obteniendo los diferentes puntos hasta llegar al secadero. En primer lugar, se hace pasar el aire húmedo por un enfriador, con el objetivo de saturar dicho aire, es decir, obtener un aire lo más húmedo posible para, en el siguiente paso, purgar el agua condensada y hacer que la humedad absoluta disminuya. Por ello, en el punto 2 (salida del enfriador) la humedad relativa debe ser del 100 %, y la temperatura de rocío (punto en el que el agua contenida en el aire empieza a condensar) se obtendrá con el diagrama: Gráfico 1. Enfriamiento aire De esta forma, las condiciones en el punto 2 son: 𝑇2=𝑇𝑟2=8,5 º𝐶 𝐻𝑟2=100 % A continuación, se deben realizar las purgas. Lo que se pretende es reducir la humedad absoluta del aire para que, al llegar al secadero, sea capaz de absorber la mayor cantidad del agua contenida en los lodos. Debido a esto, en el punto 3 se reducirá la temperatura hasta los 5 ºC y 65 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa se realizarán las purgas de la cantidad de agua condensada. Representando dicha situación en el diagrama: Gráfico 2. Purgas aire Mientras que las condiciones en el punto 3 son: 𝑇3=5 º𝐶 𝐻𝑟3=100 % Por último, se debe calentar el aire hasta una temperatura aceptable para introducirlo al secadero. Es aquí donde los gases de escape entran en juego. Estos, a través de un intercambiador de calor, son los encargados de calentar al aire, tal y como se puede observar en el diagrama: 66 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Gráfico 3. Calentamiento aire Y las condiciones a las que el aire entrará al secadero son: 𝑇4=40 º𝐶 𝐻𝑟4=12 % Donde la temperatura 𝑇4 es el objetivo a conseguir y la humedad relativa se ha calculado a través del diagrama psicrométrico. 8.1.2 Secadero Una vez calculadas las condiciones del aire húmedo en los diferentes puntos, se debe calcular el caudal de aire necesario para llegar a las condiciones deseadas en cuanto a deshidratación de lodos se refiere. Para ello, en primer lugar, se debe realizar un balance de aguas en el secadero, y en segundo lugar un balance de energía en el mismo equipo. Lo primero de todo es calcular la cantidad de producto seco y agua que componen los lodos. El siguiente esquema representa los caudales de entrada y salida del secadero: 67 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 31. Secadero datos de partida En donde “ 𝑥 ” es el caudal de agua a la salida del secadero. Así pues, se debe calcular dicho parámetro teniendo en cuenta que la humedad de los lodos a la entrada de la caldera (esto es, a la salida del secadero) es del 25 %. Dicho de otra forma, “ 𝑥 ” es el 25 % del producto total a la salida del secadero (30.000 + “ 𝑥 ”). Operando: 𝑥=0,25∙(30.000+𝑥) 𝑥=0,25∙30.000+0,25∙𝑥 𝑥−0,25∙𝑥=0,25∙30.000 0.75𝑥=0,25∙30.000 Y despejando la incógnita: 𝑥=0,25∙30.000 0,75 Da como resultado final: 𝑥=10.000𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ Esto quiere decir que el caudal de agua a la salida del secadero es de 10.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄, mientras que el producto total a la salida del mismo es: 𝑃𝑇=30.000+𝑥=30.000+10.000 𝑃𝑇=40.000𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ SECADERO 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑒=30.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑠=30.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑒=70.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑥 68 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Y representándolo en el diagrama unifilar: Ilustración 32. Secadero datos agua Una vez se obtienen todos los caudales, se deben convertir a 𝑘𝑔 𝑠 ⁄. Se debe tener en cuenta que las horas totales disponibles en un año se consideran 8.000, ya que las 760 horas restantes se toman como paradas, mantenimiento, etc. Los caudales a la entrada del secadero serán: 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑒=30.000 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜∙1 𝑎ñ𝑜 8.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∙1 ℎ𝑜𝑟𝑎 3.600 𝑠 ∙1.000 𝑘𝑔 1 𝑡𝑜𝑛 =1,042 𝑘𝑔 𝑠 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑒=70.000 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜∙1 𝑎ñ𝑜 8.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∙1 ℎ𝑜𝑟𝑎 3.600 𝑠 ∙1.000 𝑘𝑔 1 𝑡𝑜𝑛 =2,431 𝑘𝑔 𝑠 Mientras que a la salida: 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑠=30.000 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜∙1 𝑎ñ𝑜 8.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∙1 ℎ𝑜𝑟𝑎 3.600 𝑠 ∙1.000 𝑘𝑔 1 𝑡𝑜𝑛 =1,042 𝑘𝑔 𝑠 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑠=10.000 𝑡𝑜𝑛 𝑎ñ𝑜∙1 𝑎ñ𝑜 8.000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∙1 ℎ𝑜𝑟𝑎 3.600 𝑠 ∙1.000 𝑘𝑔 1 𝑡𝑜𝑛 =0,347 𝑘𝑔 𝑠 Como se puede observar, la cantidad de producto seco se mantendrá constante, mientras que la cantidad de agua se verá considerablemente reducida. Así pues, realizando el balance de aguas en el secadero: 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑒+𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙𝑤4=𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑠+𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙𝑤5 Y el balance de energías: SECADERO 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑒=30.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑠=30.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑒=70.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑠=10.000 𝑡 𝑎ñ𝑜 ⁄ 69 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa LODOS HÚMEDOS AIRE HÚMEDO LODOS HÚMEDOS 𝑚󰇗𝑝𝑠𝑒∙𝐶𝑝𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 ∙𝑇1+𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑒∙𝐶𝑝𝐻2𝑂 ∙𝑇1+𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙ℎ4 =𝑚󰇗𝑝𝑠𝑠∙𝐶𝑝𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 ∙𝑇6+𝑚󰇗𝐻2𝑂𝑠∙𝐶𝑝𝐻2𝑂 ∙𝑇6+𝑚󰇗𝑎∙ℎ5 Se pueden obtener tanto la temperatura en el punto 6 como el caudal de aire necesario para llevar a cabo el secado de los lodos en dichas condiciones. Para ello se debe iterar, dando valores a la temperatura del punto 5 (salida del aire del secadero) e intentar que ambos lados de la ecuación sean lo más similares posible. De esta forma, se obtiene una temperatura en el punto 5 de: 𝑇5=19,1 º𝐶 Mientras que la temperatura del punto 6 y el caudal de aire necesario son: 𝑇6=29,39 º𝐶 𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 =248,6 𝑘𝑔/𝑠 Por último, en el siguiente esquema se representan las condiciones de entrada y salida del secadero, tanto de la corriente de aire como de la de lodos: Ilustración 33. Secadero datos finales 8.1.3 Intercambiador de calor Una vez calculado el caudal de aire, se puede proceder a calcular la cantidad de humos necesaria para llegar a las condiciones previamente descritas. El equipo a través del cual se va a calentar el aire es un intercambiador de calor. En él, los gases de escape del motor calentarán el aire, de manera que, cuanto mayor sea el caudal de humos introducido al intercambiador, mayor será la transferencia de calor a la corriente de aire. A continuación, se representa el equipo mencionado, con ambas corrientes de aire y gases: AIRE SECO 70 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 34. Datos intercambiador de calor Así pues, se plantea un balance de energía en el intercambiador: 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙ℎ7+𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙ℎ3=𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙ℎ8+𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙ℎ4 Que simplificando queda: 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙(ℎ7−ℎ8)=𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙(ℎ4−ℎ3) Las entalpías de los puntos 3 y 4 ya se conocen, así como el caudal de aire que circula por la instalación (previamente calculado). Se comienza el dimensionamiento con un motor alternativo de combustión interna (MACI), y en función de los resultados se elegirá el motor o se reharán los cálculos para una turbina de gas. Como las temperaturas de los puntos 7 y 8 son 400 ºC Y 140 ºC respectivamente, teniendo en cuenta que se considera un calor específico de los humos de 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶 ⁄, se pueden obtener las entalpías correspondientes a los mismos: ℎ7=𝑇7∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =400 º𝐶∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶=440 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ℎ8=𝑇8∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =140 º𝐶∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶=154 𝑘𝐽 𝑘𝑔 De esta forma, ya se puede obtener el caudal de gases de escape necesario para llegar a las condiciones calculadas: 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙(ℎ4−ℎ3) ℎ7−ℎ8=248,6𝑘𝑔 𝑠∙(54,31−18,58)𝑘𝐽 𝑘𝑔 (440−154)𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =31,06 𝑘𝑔 𝑠 71 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 8.1.4 Motor alternativo de combustión interna Una vez se tiene el caudal de humos necesario, se puede comenzar a dimensionar el motor. Para ello, el primer paso es calcular la potencia (o calor) generado por los humos del motor en el intercambiador de calor: 𝑊󰇗𝑔=𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙(𝑇7−𝑇8) 𝑊󰇗𝑔=31,06 𝑘𝑔 𝑠∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶∙(400−140)º𝐶 𝑊󰇗𝑔=8.883,16 𝑘𝑊 El siguiente paso es determinar, a partir del rendimiento de los gases del motor, el calor transferido a partir de la combustión. Teniendo en cuenta que el rendimiento de los gases del motor se estima en un 22 %: 𝜂𝑐=22 % 𝜂𝑐=𝑊󰇗𝑔 𝑄󰇗𝑐=8.883,16 𝑘𝑊 𝑄󰇗𝑐=0,22 El calor aportado al motor será: 𝑄󰇗𝑐=40.378 𝑘𝑊 Por último, se debe calcular la potencia eléctrica generada por el motor. Para ello se utiliza el rendimiento eléctrico del mismo, que se estima en un 44 %: 𝜂𝑒=44 % 𝜂𝑒=𝑊󰇗𝑒 𝑄󰇗𝑐=𝑊󰇗𝑒 40.378 𝑘𝑊=0,44 𝑊󰇗𝑒=17.766,32 𝑘𝑊 Tal y como puede apreciarse, se obtiene una potencia eléctrica de 17,7 MW, de manera que la utilización del motor alternativo se descarta al no existir motores capaces de proporcionar tal potencia. 72 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 8.1.5 Turbina de gas Por esta razón, se decide instalar una turbina de gas, por lo que se deben rehacer los cálculos para este segundo caso. Cabe destacar que tanto los datos del secadero como los de la instalación de tratamiento de aire son los mismos, por lo que se deberán repetir los cálculos en el intercambiador de calor y en la propia turbina de gas. Así pues, se realiza de nuevo el balance de energía en el intercambiador. En este caso, los humos de escape de la turbina salen a 500 ºC, de manera que las entalpías de los humos a la entrada y salida del intercambiador serán: ℎ7=𝑇7∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =500 º𝐶∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶=550 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ℎ8=𝑇8∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =140 º𝐶∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶=154 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Y el balance de energía: 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙(ℎ7−ℎ8)=𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟 ∙(ℎ4−ℎ3) De esta forma, despejando el caudal de humos, se obtiene el siguiente resultado: 𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 =22,43 𝑘𝑔/𝑠 Una vez se tiene el caudal de humos se puede obtener la potencia calorífica de dichos gases: 𝑊󰇗𝑔=𝑚󰇗𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙𝐶𝑝𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ∙(𝑇7−𝑇8) 𝑊󰇗𝑔=22,43 𝑘𝑔 𝑠∙ 1,1 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶∙(500−140)º𝐶 𝑊󰇗𝑔=8.882,28 𝑘𝑊 El siguiente paso consiste en obtener el calor transferido. Teniendo en cuenta un rendimiento de los gases del 55 %, este será: 𝜂𝑐=𝑊󰇗𝑔 𝑄󰇗𝑐=8.882,28 𝑘𝑊 𝑄󰇗𝑐=0,55 𝑄󰇗𝑐=16.149,6 𝑘𝑊 73 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Por último, se debe calcular la potencia eléctrica a partir del calor calculado previamente y un rendimiento eléctrico del 30 %: 𝜂𝑒=𝑊󰇗𝑒 𝑄󰇗𝑐=𝑊󰇗𝑒 16.149,6 𝑘𝑊=0,3 𝑊󰇗𝑒=4.845 𝑘𝑊 De esta forma, se obtiene una turbina de una potencia eléctrica de 4,84 MW. 8.1.6 Elección de la turbina de gas natural en el mercado Existen diferentes turbinas de gas en función de la potencia eléctrica generada, por lo que a partir de este dato se deberá elegir una y volver a realizar los cálculos en orden inverso. Estas potencias van desde 1 MW hasta unos 500 MW aproximadamente, en función del fabricante. En este caso, al haber obtenido una potencia eléctrica de 4,84 MW, una única turbina será suficiente. De entre los diferentes fabricantes se elige la turbina Siemens SGT – 100, de 5,05 MW (e), cuyas características son las siguientes: 80 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Siendo el caudal de vapor: 𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =4,845 𝑘𝑔 𝑠 ⁄ Así pues, se debe elegir una caldera de lecho fluido capaz de operar en las condiciones previamente mencionadas y trasnportar el caudal calculado. Por ello, se elige la caldera del fabricante GE Power, de lecho fluidizado circulante, con tecnología CFB y que puede soportar hasta 330 bar de presión. Ilustración 38. Caldera de lecho fluidizado GE Power 8.2.2 Turbina - Alternador El siguiente paso a dar es el dimensionamiento del grupo turbina – alternador. Este equipo es el encargado de generar la energía eléctrica de la planta. La turbina tiene como misión expandir el vapor sobrecalentado que le llega, de manera que esa energía contenida en el agua se transfiera a la turbina, y de esta al alternador. Para ello, el vapor mueve los alabes de la turbina, y estos, a su vez, accionan el alternador. El alternador es una máquina capaz de transformar la energía mecánica que le llega de la turbina en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. Por otro lado, tal y como se puede observar en el esquema, la turbina se verá sometida a dos extracciones: una al condensador y otra al desgasificador: 81 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 39. Esquema turbina - Alternador En primer lugar, se deben calcular los caudales de cada una de las extracciones. Cabe destacar que el caudal que llega al desgasificador es muy pequeño comparado con el del condensador. A pesar de ello, se van a calcular ambos caudales. Para ello se deben realizar balances tanto de masa, como de energía en el desgasificador. El balance de masa es: 𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =𝑚󰇗𝑡𝑢𝑟𝑏 +𝑚󰇗𝑑𝑒𝑠𝑔 Mientras que el balance de energía: 𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙ℎ13 =𝑚󰇗𝑡𝑢𝑟𝑏 ∙ℎ12 +𝑚󰇗𝑑𝑒𝑠𝑔 ∙ℎ14 Resolviendo el sistema de ecuaciones se obtienen los caudales de cada una de las extracciones, siendo estos: 𝑚󰇗𝑡𝑢𝑟𝑏 =4,393 𝑘𝑔/𝑠 𝑚󰇗𝑑𝑒𝑠𝑔 =0,4522 𝑘𝑔/𝑠 En segundo lugar, se debe calcular la potencia eléctrica que proporciona la turbina. Esta va a depender, por un lado, de la expansión en la turbina y por otro, del caudal de vapor que llega a la misma. Además, se debe tener en cuenta el rendimiento isoentrópico, mecánico y eléctrico. Así pues, la potencia de la turbina queda: 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 =𝑚󰇗𝑡𝑢𝑟𝑏 ∙(ℎ9−ℎ10)∙𝜂𝑚∙𝜂𝑒 82 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa De esta forma, se debe obtener la entalpía del punto 10 a partir del rendimiento isoentrópico y la entalpia del punto 10s (punto 11 en el EES) con el Diagrama de Mollier. Lo primero de todo es calcular la entalpía en el punto 10, que es la salida de la turbina, o entrada al condensador. Para ello, se debe utilizar el rendimiento isoentrópico. Teniendo en cuenta que los distintos rendimientos del equipo los da el fabricante, estos se pueden definir como: 𝜂𝑠=70 % 𝜂𝑚=90 % 𝜂𝑒=97 % Teniendo en cuenta este rendimiento y con el apoyo del Diagrama de Mollier, se obtiene la entalpia del punto 10. La fórmula del rendimiento isoentrópico se expresa como: 𝜂𝑠=ℎ1−ℎ2 ℎ1−ℎ2𝑠 Por otro lado, para la obtención de la entalpía del punto 10s se debe emplear el mencionado Diagrama de Mollier. Este diagrama es la representación gráfica en una carta semilogarítmica en el plano presión / entalpía de los estados posibles de un compuesto químico (en este caso, el agua). Por ello, como la presión en el punto 10 es conocida (0,1 bar), y se supone una expansión isoentrópica (entropía constante entre 9 y 10), se puede obtener la entalpía del punto 10s: ℎ10𝑠=2.128 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ E introduciendo este dato en la expresión del rendimiento isoentrópico entre la entrada y salida de la turbina: 0,70=3.302 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄−ℎ10 3.302 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄−2.128 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ Se obtiene la entalpía a la salida de la misma: ℎ10 =3.302 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄−0,70∙(3.302 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄−2.128 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ ) ℎ10 =2.480 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ 83 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Tomando los valores de caudal de vapor y entalpias de los puntos 9 y 10 (entrada y salida de la turbina), la ecuación queda: 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 =4,393 𝑘𝑔 𝑠 ⁄∙(3302 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄−2.480 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄)∙0,90∙0,97 De manera que la energía disponible en la turbina es: 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 =3.152,44 𝑘𝑊 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 =3,15 𝑀𝑊 El equipo elegido es la turbina de vapor SST – 300, de Siemens, capaz de generar de 0 a 45 MW, que cumple con las especificaciones requeridas. Ilustración 40. Turbina de vapor SST - 300 Mientras que el alternador que irá unido a la turbina de vapor será del fabricante Leroy – Somer. Ilustración 41. Alternador Leroy - Somer 84 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 8.2.3 Condensador El siguiente paso consiste en realizar el dimensionamiento del condensador. El condensador es el equipo encargado de realizar el cambio de fase del vapor que le llega de la turbina, enfriándolo para conseguir cerrar el ciclo. Para ello, es necesario una fuente que sea capaz de refrigerar esa corriente de vapor. Normalmente se utiliza agua, tanto del mar como de ríos o embalses, ya que se suelen necesitar grandes cantidades debido a las elevadas temperaturas a las que el vapor sale de la turbina. Por otro lado, con el fin de maximizar la potencia proporcionada por la turbina, se intenta reducir la presión del condensador lo máximo posible, de manera que el salto entálpico en la turbina sea lo más grande posible. Representando el esquema del equipo, éste quedaría: Ilustración 42. Esquema condensador En cuanto al dimensionamiento, se debe calcular el caudal de refrigeración que circula por el condensador. Para ello se realiza un balance de energía en el mismo, de manera que: 𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙(ℎ10−ℎ12)=𝑚󰇗𝑟𝑒𝑓∙𝐶𝑝𝐻2𝑂 ∙(𝑇18 −𝑇17) Y despejando el caudal de refrigeración se obtiene: 85 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 𝑚󰇗𝑟𝑒𝑓 =𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙(ℎ10−ℎ12) 𝐶𝑝𝐻2𝑂 ∙(𝑇18−𝑇17) Para calcularlo se deben obtener las entalpías de los puntos 10 y 12 (entrada y salida del condensador del caudal de vapor) y de los puntos 17 y 18 (entrada y salida del condensador del caudal de refrigeración). La entalpía del punto 10 ya ha sido calculada previamente, siendo su valor: ℎ10 =2.480 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ La entalpia del punto 12 se obtiene con la presión a la que está sometido el condensador. En este caso, como el equipo trabaja a una presión de 0,1 bar, la temperatura de saturación a esa presión es: 𝑇12 =𝑇120,1 𝑏𝑎𝑟 =45,81 º𝐶 Y, como se trata de agua líquida, utilizando el calor especifico del agua se obtiene la entalpía: ℎ12 =𝑇12∙𝐶𝑝𝐻2𝑂 =45,81 º𝐶∙ 4,184 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶 ℎ12 =191,7 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ⁄ Tras este primer cálculo, se deben definir los puntos 17 y 18. Estos representan la entrada y salida del caudal de refrigeración, por lo que se va a suponer una temperatura del medio refrigerante de 20 ºC y un salto de temperatura entre estos dos puntos de 7 ºC: 𝑇17 =20 º𝐶 ∆𝑇=7 º𝐶 De esta forma, es posible calcular la temperatura a la salida, sin más que sumar estos dos valores: 𝑇18 =𝑇17+∆𝑇=20 º𝐶+ 7 º𝐶 𝑇18 =27 º𝐶 Así pues, ya se tienen definidos los cuatro puntos y se puede calcular el caudal de refrigeración del condensador: 86 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 𝑚󰇗𝑟𝑒𝑓 =4,845𝑘𝑔 𝑠∙(2.480𝑘𝐽 𝑘𝑔−191,7𝑘𝐽 𝑘𝑔) 4,184 𝑘𝐽 𝑘𝑔∙º𝐶∙(27 º𝐶− 20 º𝐶) Que da como resultado: 𝑚󰇗𝑟𝑒𝑓 =378,6 𝑘𝑔 𝑠 ⁄ Tal y como se ha dicho antes, es un caudal muy elevado, razón por la cual se suelen utilizar mares o ríos como fuentes de refrigeración. En cuanto al equipo, se elige el modelo de coraza y tubos de Schmidt – Bretten, construido en acero. Ilustración 43. Condensador Schmidt - Bretten 8.2.4 Desgasificador El siguiente paso es dimensionar el desgasificador. Este equipo tiene una doble misión. El objetivo principal es extraer el oxígeno disuelto, esto es, las posibles burbujas o bolsas de aire que pueda contener el agua líquida, ya que, tras esto, se debe enviar a la bomba de alimentación, por lo que es importante que el agua no contenga nada de oxígeno para no dañarla. Además, tiene la misión de proporcionar la presión hidrostática necesaria (NPSH) para evitar el 87 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa fenómeno de cavitación en las bombas de alimentación. Por otra parte, también tiene como fin precalentar el agua antes de entrar en la caldera, con el objetivo de reducir el salto de temperatura que sufre la misma y así reducir el consumo de combustible. Para su dimensionamiento, se debe tener en cuenta que el desgasificador cumple sus diferentes objetivos utilizando el calor que se genera en el ciclo, a través de una extracción que se realiza en la turbina de vapor. Así pues, es el propio calor del proceso, o una pequeña parte del mismo, el que realiza ese trabajo. En la siguiente imagen se representa el esquema del desgasificador: Ilustración 44. Esquema desgasificador En él se pueden apreciar las diferentes corrientes que llegan al mismo: 1. La corriente 𝑚󰇗12 representa la salida del condensador, siendo esta corriente agua líquida. 2. La corriente 𝑚󰇗14 representa la extracción realizada en la turbina. Se trata de una parte muy pequeña de todo el caudal que atraviesa la turbina, ya que no es necesario demasiado calor para realizar el trabajo en el desgasificador. 3. La corriente 𝑚󰇗13 representa la salida del desgasificador, y no es más que la suma de los dos caudales previos. En este punto el agua sigue siendo líquida y está libre de partículas de oxígeno que puedan dañar las bombas de alimentación a la caldera, que es el siguiente equipo. 88 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Las condiciones en el desgasificador son: 𝑇𝐷=105 º𝐶 𝑃𝐷=3 𝑏𝑎𝑟 A través de balances de masa y energía, se pueden obtener los tres caudales mencionados, tal y como se ha hecho previamente para calcular la potencia de la turbina. Se elige el desgasificador de la empresa ATTSU TERMICA. Ilustración 45. Desgasificador ATTSU TERMICA 8.2.5 Bomba alimentación El último paso a dar para finalizar con el dimensionamiento de la planta es definir la bomba de alimentación a la caldera. Su misión es proporcionar al agua que le llega del desgasificador la suficiente presión como para introducirla en la caldera, tal y como se representa en el esquema: 89 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Ilustración 46. Esquema bomba de alimentación Así pues, lo primero de todo es calcular la potencia de la bomba de alimentación, siguiendo la siguiente formula: 𝑊𝐵 𝑡=𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙[∫ 𝑣∙𝑑𝑝 𝑃16 𝑃15 ] Realizando la integral, la expresión queda: 𝑊𝐵 𝑡=𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙𝑣∙(𝑃16 −𝑃15) La presión en el punto 15 es la presión del desgasificador, mientras que la presión del punto 16 es la de la caldera, por lo que las dos presiones son conocidas, al igual que 𝑚󰇗𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟, que simplemente es el caudal de vapor que circula por el ciclo: 𝑚󰇗𝑣=4,845 𝑘𝑔 𝑠 ⁄ 𝑃15 =3 𝑏𝑎𝑟 𝑃16 =60 𝑏𝑎𝑟 Por último, se debe definir el término 𝑣. Este se trata del volumen especifico del agua, que se considera constante, ya que la variación que sufre entre esos dos puntos es mínima. De esta forma, su valor se estima en: 𝑣=0,001123 𝑚3𝑘𝑔 ⁄ 96 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa • Controles químicos del agua de alimentación y del agua de purgas. Se realizan análisis en el laboratorio. Tareas mensuales: • Engrase de motores y bombas: lo marca el fabricante. • Análisis del mapa de vibraciones: lo da el fabricante. Se marcan unos puntos del motor en un esquema y se da la amplitud y frecuencia óptima de cada punto. • Comprobación del buen esto de los equipos en reserva. Los equipos, aunque no se usen, envejecen. Se deben tener a punto. Grandes revisiones: • Revisión de quemadores, bombas de alimentación y válvulas motorizadas. • Comprobar y calibrar los lazos de presión, temperatura, caudal y nivel. • Inspección visual de tubos en el interior de la caldera. • Inspección general de la estructura soporte de la caldera y de las tuberías. • Revisiones legales. 9.2.2 Turbina de vapor La turbina de vapor, junto con el alternador, es el equipo encargado de generar energía eléctrica. Las principales averías que se pueden encontrar son: ➢ Altos niveles de vibración en el reductor o el alternador. ➢ Fugas de vapor. ➢ Fallos en la instrumentación. 97 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa ➢ Bloqueo o gripaje del rotor. Al igual que en el caso de la caldera, el mantenimiento se puede dividir en tres grandes grupos: Tareas diarias: • Comprobación de alarmas y pre-alarmas. • Vigilancia de los parámetros principales: temperaturas, presiones, revoluciones… • Inspección visual de la turbina y de los elementos auxiliares. Tareas mensuales: • Limpieza del aceite y comprobación del nivel del mismo. • Inspecciones de las fugas de vapor y del agua de refrigeración. • Análisis del mapa de vibraciones. • Comprobación de lubricación del reductor y el alternador • Inspección visual del sistema hidráulico. Grandes revisiones: • Termografía del grupo turbina – alternador. • Pruebas de potencia y rendimiento. • Inspección de álabes. • Cambia de aceite y de filtros de aceite. • Análisis del espectro de vibración de la turbina, reductor y alternador. • Inspección general de todos los elementos que conforman la turbina. 98 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 9.2.3 Bomba de alimentación Las bombas de alimentación son equipos dinámicos cuyo objetivo es impulsar líquidos. Los factores principales a considerar en su funcionamiento son: ➢ Lubricación. ➢ Refrigeración. ➢ Alineación. ➢ Sellado. Además, se deben tener en cuenta diferentes operaciones de mantenimiento en dos momentos puntuales: el arranque y la parada. En el arranque: • Comprobar que la bomba está llena de producto. • Comprobar que las válvulas de refrigeración están abiertas. En la parada: • Vigilar los sistemas auxiliares de cierre. • Comprobar el consumo del motor. • Vigilar la correcta lubricación y reponer el nivel. • Comprobar que las presiones de aspiración e impulsión están dentro del rango 9.2.4 Turbina de gas La complejidad tecnológica de las turbinas de gas obliga a contratar el mantenimiento con el fabricante. Existen dos tipos de mantenimiento: diaria y revisiones programadas. 99 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Mantenimiento diario Lo realiza el propietario, chequeando los parámetros principales de funcionamiento de la turbina: • Potencia generada. • Temperatura de salida de los gases. • Tiempo de arranque y de parada. • Mapa de vibraciones. • Rendimiento de la turbina. Revisiones programadas Estas se realizan con la turbina parada: • Limpieza de los filtros de aire. • Inspección de los elementos de combustión. • Inspección de las partes calientes. • Inspección general, que requiere la apertura de la turbina cada 50.000 horas. 9.2.5 Compresor Dentro del mantenimiento del compresor, los dos grupos mas importantes son la lubricación y la refrigeración. Lubricación Es el capítulo más importante en la vida de la máquina. Realizar una perfecta lubricación con un aceite de buena calidad y adecuado para compresores, alarga considerablemente la vida útil del compresor. 100 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa Es fundamental, antes de la puesta en marcha, verificar el nivel de aceite del cárter. El nivel debe mantenerse entre las muescas de máximo y mínimo de la misma y siempre se observará en caliente y con la máquina parada. Las características principales del aceite a controlar son: • Viscosidad. • Temperatura de inflamación. • Temperatura de congelación. Refrigeración Por otro lado, es fundamental que el compresor esté suficientemente refrigerado, por dos motivos principales: ➢ Evitar los problemas derivados del calentamiento. ➢ Reducir el consumo de energía. En cuanto a los fluidos refrigerantes, los compresores pequeños se pueden enfriar por aire, mientras que los grandes se deben enfriar con agua. Una buena refrigeración exige mantener el compresor siempre limpio. La suciedad actúa como un aislamiento muy eficaz. Para ello hay que controlar diariamente las temperaturas de entrada y salida del fluido que se utilice como refrigerante (agua o aire). Cuando el compresor es suficientemente grande, se puede aprovechar su calor de refrigeración como calefacción, para calentar la nave industrial o las oficinas. Es uno de los sistemas de aprovechamiento energético de los compresores más utilizado y con rentabilidades elevadas. 101 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 10. ANÁLISIS ECONÓMICO En el siguiente apartado se van a explicar las diferentes partidas de presupuesto que existen, exponiendo una serie de datos para tener una idea de la inversión necesaria en el proyecto. Para ello, se va a realizar un presupuesto aproximado, separando por un lado las horas internas empleadas en el proyecto, y por otro, los equipos comerciales y recursos necesarios para la ejecución, montaje y puesta en marcha de la instalación. 10.1. Presupuesto Tal y como se ha dicho, el presupuesto se va a separar en dos grandes grupos: presupuesto de ingeniería y presupuesto de equipos. 10.1.1 Presupuesto de ingeniería En este primer apartado se van a tener en cuenta las horas trabajadas por los distintos empleados que participan en el proyecto: ingeniero junior, ingeniero senior y coordinador de proyecto. Se tendrán en cuenta tanto las horas trabajadas por cada uno de los trabajadores como la diferencia salarial existente entre cada uno de los grupos citados. Tabla 3. Presupuesto de personal Por otro lado, se deben calcular una serie de recursos utilizados para la realización del proyecto que se imputan como amortizaciones. Estas amortizaciones se calculan mediante la siguiente fórmula: 𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (€)=𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 (€) ∙ 𝑈𝑠𝑜 (ℎ) 𝑉𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 (ℎ) 102 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa A continuación, se muestran las distintas amortizaciones empleadas: Tabla 4. Presupuesto amortizaciones Por último, en la siguiente tabla se recogen todos los gastos contabilizados de ingeniería, incluidas las amortizaciones. Además, se tiene en cuenta una partida de costes indirectos, estimada en un 5 % del total: Tabla 5. Presupuesto de ingeniería Tal y como se puede observar, el importe total asciende a 274.149,75 €. 10.1.2. Presupuesto de equipos En este segundo apartado se muestran el coste de todos los equipos necesarios para llevar a cabo la instalación de la planta, así como las partidas de montaje, puesta en marcha y supervisión. Este presupuesto estará compuesto por tres bloques fundamentales: ❖ Cogeneración: equipos principales de la planta de cogeneración. ❖ Biomasa: equipos principales de la planta de biomasa. ❖ General: equipos o instalaciones comunes a ambas plantas y de carácter general. 103 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa A continuación, se muestra la tabla con el importe de cada uno de los equipos o instalaciones: PRESUPUESTO EQUIPOS Planta Cogeneración 4.880.000 € Grupo Turbina de Gas - Alternador 3.100.000 € Intercambiador humos - aire 630.000 € Equipos auxiliares 800.000 € Sistema eléctrico y de control 350.000 € Planta Biomasa 6.770.000 € Caldera 2.900.000 € Grupo Turbina de Vapor - Alternador 2.600.000 € Equipos auxiliares 950.000 € Sistema eléctrico y de control 320.000 € Partidas comunes 5.300.000 € Obra civil 2.100.000 € Montaje mecánico 1.400.000 € Montaje eléctrico 1.550.000 € Puesta en marcha 250.000 € TOTAL Equipos 16.950.000 € Tabla 6. Presupuesto de equipos Para finalizar con el presupuesto, se muestra una tabla completa, incluyendo las partidas de ingeniería y ejecución, así como otras tres partidas adicionales: • Costes indirectos: destinados a cubrir aquellos gastos indirectos, como pueden ser electricidad, material de oficina o cualquier actividad relacionada con el proyecto que suponga algún gasto. Se estiman en un 4% de los costes totales. • Imprevistos: costes debido a posibles fallos que puedan aparecer en el proyecto y que no se habían previsto. Se estiman en un 10 % de los costes totales más los indirectos. • Costes financieros: aquellos costes relacionados con las distintas decisiones que se toman en el proyecto y que pueden acarrear consecuencias económicas. Se estiman en un 7 % de los costes totales, indirectos e imprevistos. Con todo esto, en la siguiente tabla se muestra el presupuesto completo del proyecto: 104 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa PRESUPUESTO INGENIERÍA Horas ingeniería 256.000 € Amortizaciones 5.095 € Subtotal 261.095 € Costes indirectos 13.055 € TOTAL Ingeniería 274.150 € PRESUPUESTO EQUIPOS Planta Cogeneración 4.880.000 € Grupo Turbina de Gas - Alternador 3.100.000 € Intercambiador humos - aire 630.000 € Equipos auxiliares 800.000 € Sistema eléctrico y de control 350.000 € Planta Biomasa 6.770.000 € Caldera 2.900.000 € Grupo Turbina de Vapor - Alternador 2.600.000 € Equipos auxiliares 950.000 € Sistema eléctrico y de control 320.000 € Partidas comunes 5.300.000 € Obra civil 2.100.000 € Montaje mecánico 1.400.000 € Montaje eléctrico 1.550.000 € Puesta en marcha 250.000 € TOTAL Equipos 16.950.000 € PRESUPUESTO FINAL TOTAL ingeniería y equipos 17.224.150 € Costes Indirectos 688.966 € SUBTOTAL 1 17.913.116 € Imprevistos 1.791.312 € SUBTOTAL 2 19.704.427 € Financieros 1.379.310 € TOTAL 21.083.737 € Tabla 7. Presupuesto total Como se puede observar, el coste total del proyecto asciende a 20.777,717 €. 105 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 11. ANÁLISIS DE RENTABILIDAD En este segundo apartado del análisis económico se pretende realizar un pequeño estudio de la viabilidad económica del proyecto, analizando los ingresos y los gastos del mismo a través de una serie de cálculos que se expondrán a continuación. En primer lugar, cabe destacar que el objetivo principal de la planta no solo es obtener una rentabilidad económica de la misma, sino darles una funcionalidad a los lodos a través de una gestión eficiente de los mismos, por lo que el beneficio económico no es el único objetivo a conseguir. Se van a calcular, por una parte, los ingresos o el ahorro que se obtiene de la instalación de la planta, y, por otra parte, los gastos derivados de la misma. Ingresos Parte de la energía eléctrica obtenida en la instalación va a ser utilizada para el autoconsumo de la misma, es decir, para la instalación de valorización energética (planta de cogeneración completa y auxiliares, ya que de la planta de biomasa ya se ha restado el autoconsumo). Se asume que este autoconsumo va a ser, aproximadamente, el 15 % de la potencia generada. La potencia total obtenida es la suma de la producida por la turbina de gas y la planta de biomasa: • Cogeneración: 5,05 MW • Biomasa: 2,70 MW La potencia total obtenida es de 7,75 MW, mientras que el autoconsumo, que es el 15 % de la potencia total: 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜=0,15 ∙ 7,75 𝑀𝑊=1,163 𝑀𝑊 Ahora se debe calcular el ahorro debido a este autoconsumo. Como el precio de compra se supone en 84 €/MWh, el ahorro será: 112 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 13. CONCLUSIONES A continuación, se van a presentar una serie de conclusiones o puntos principales del proyecto, con el fin de resumir de una forma general las ideas más relevantes del mismo: 1. Los lodos de EDAR están presentes en cualquier urbe del mundo y su gestión se hace inevitablemente necesaria. Un buen sistema de depuración es imprescindible si se desea lograr una gestión eficiente. 2. A la hora de gestionar los lodos de EDAR, debido a las cada vez más exigentes condiciones medioambientes, se debe respetar el entorno, así como controlar las distintas emisiones o residuos finales que se puedan generar. 3. Existen diferentes alternativas a la hora de gestionar los lodos tratados, pero la valorización energética ofrece una serie de ventajas que la convierten en una gran opción. Además de darle una salida a esos fangos, se obtiene energía eléctrica a través de su incineración y se es respetuoso con el medioambiente. 4. El proceso de secado de los lodos requiere de una cantidad elevada de calor, para poder deshidratarlos lo suficiente para su posterior incineración. Por esta razón la cogeneración queda completamente justificada y su uso mejora el rendimiento de la instalación. 5. Más allá de la posible rentabilidad económica que se puede o no obtener del proyecto, los objetivos principales son la gestión y funcionalidad de los lodos una vez tratados, así como su impacto medioambiental. 6. La instalación, con la electricidad que genera a partir de la planta de biomasa y la turbina de gas, es capaz de autoabastecerse, alimentar energéticamente a la EDAR y vender la energía sobrante. 113 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 7. La tasa de retorno es elevada, lo cual quiere decir que la inversión se recuperará en un largo periodo de tiempo. 114 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 14. BIBLIOGRAFÍA [1] Protocolo de Kioto, Comisión Europea (U.E.): https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/progress/kyoto_1_es [2]: Compromisos España Protocolo Kioto (Gobierno de España): https://www.miteco.gob.es/es/cambio-climatico/temas/el-proceso-internacional-de-luchacontra-el-cambio-climatico/naciones-unidas/protocolo-kioto.aspx [3] Calidad y evaluación ambiental, lodos de depuradora (Gob. España): https://www.miteco.gob.es/es/calidad-y-evaluacion-ambiental/temas/prevencion-y-gestionresiduos/flujos/lodos-depuradora/ [4] E.D.A.R. Galindo: https://www.bizkaia21.eus/fitxategiak/09/bizkaia21/Territorio_Sostenible/dokumentuak/2010 1011115000053_edarGal.pdf?hash=ebfa21ae3c9b415bfa2c8e5df6f7bfa9 [5] Aprovechamiento de lodos de E.D.A.R. (UVa): http://uvadoc.uva.es/handle/10324/6157 [6] Reducción lodos generados en E.D.A.R. (Proyecto WaterReuse): https://www.sitra.es/sites/default/files/Reducci%C3%B3n_de_lodos_generados_en_EDARI% 27s_CTC_JUN_2015.pdf [7] Tratamiento aguas residuales (Cyclusid): https://www.cyclusid.com/tecnologias-aguasresiduales/tratamiento-aguas/ [8] Secado y aprovechamiento energético de lodos de E.D.A.R. (Tecnoaqua): https://www.tecnoaqua.es/articulos/20200810/secado-aprovechamiento-energetico-fangosEDAR#.X1eqMnkzbIU 115 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa [9] Guía de valorización energética de residuos (Comunidad de Madrid): https://www.oficemen.com/wp-content/uploads/2017/05/Guia-de-valorizacion-energetica-deresiduos.-Fenercom-2010.pdf [10] Descripción plantas de biomasa: http://www.plantasdebiomasa.net/ [11] Equipos de desgasificación (US): http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5344/fichero/PFC.pdf [12] Plantas de cogeneración: http://www.plantasdecogeneracion.com/index.php/las-plantasde-cogeneracion [13] Secado directo con tromel (Prodesa): https://prodesa.net/wp-content/uploads/Secadodirecto-con-tromel.pdf [14] Gas turbines (Siemens – energy): https://www.siemensenergy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines/sgt-100.html [15] Alternadores Leroy - Somer: https://acim.nidec.com/generators/leroy-somer [16] Siemens steam turbine SST - 300: https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:79682b366c8732c55d1ca2e8c9992ef 08a2df11d/sst-300-interactivepraes.pdf [17] Desgasificador ATTSU TERMICA: https://www.directindustry.es/prod/attsu-termicasl/product-37754-614230.html [18] Condensador Schmidt - Bretten: https://www.directindustry.es/prod/api-schmidt-brettenapi-heat-transfer-group/product-39767-1872715.html 116 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa [19] Caldera lecho fluidizado GE Power: https://www.directindustry.es/prod/gepower/product-205105-2079851.html [20] Bomba de alimentación KSB: https://www.ksb.com/ksbes/Productos_y_Servicios/Energia/PowerStations_up_to_100_MW/Boiler_feed_pumps_from_KSB/ 117 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa 15. ANEXOS En este apartado se incluye una información adicional de diverso tipo con el fin de ayudar al cliente a entender el proyecto. Los diferentes anexos que se incluyen son los siguientes: ANEXO I. PLANO COMPLETO DE LA INSTALACIÓN. ANEXO II. CÁLCULOS REALIZADOS EES. ANEXO III. RESULTADOS. 118 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa ANEXO I. PLANO COMPLETO DE LA INSTALACIÓN. 119 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa ANEXO II. CALCULOS REALIZADOS EN EES. {----------------------------- DIMENSIONAMIENTO TRATAMIENTO AIRE HÚMEDO --------------------------} P1=1,013 {bar} T_amb=20 {ºC} {Punto 1} T[1]=10 {ºC} rh[1]=0,9 omega[1]=HumRat(AirH2O;T=T[1];r=rh[1];P=P1) {kgH2O/kg a.s.} m_v[1]=m_air*omega[1] {kg/s} {Punto 2} T[2]=8,5 {ºC} rh[2]=1 omega[2]=HumRat(AirH2O;T=T[2];r=rh[2];P=P1) {kgH2O/kg a.s.} m_v[2]=m_air*omega[2] {kg/s} {Punto 3} T[3]=5 {ºC} rh[3]=1 h[3]=Enthalpy(AirH2O;T=T[3];r=rh[3];P=P1) {kJ/kg} omega[3]=HumRat(AirH2O;T=T[3];r=rh[3];P=P1) {kgH2O/kg a.s.} m_v[3]=m_air*omega[3] {kg/s} {Punto 4} T[4]=40 {ºC} rh[4]=0,12 h[4]=Enthalpy(AirH2O;T=T[4];r=rh[4];P=P1) {kJ/kg} omega[4]=HumRat(AirH2O;T=T[4];r=rh[4];P=P1) {kgH2O/kg a.s.} m_v[4]=m_air*omega[4] {kg/s} {------------------------------------------- DIMENSIONAMIENTO LODOS EDAR ------------------------------------} m_lodos_e=100000 {t/año} m_H2O_e=0,7*m_lodos_e {t/año} m_ps_e=m_lodos_e-m_H2O_e {t/año} {Se desea obtener un 25% de humedad en lodos a la salida del secadero} m_ps_s=m_ps_e {t/año} m_H2O_s=0,25*(m_ps_s+m_H2O_s) {t/año} m_lodos_s=m_ps_s+m_H2O_s {t/año} m_ps_e_SI=m_ps_e*((1000)/(8000*3600)) {kg/s} 120 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa m_ps_s_SI=m_ps_e_SI {kg/s} m_H2O_e_SI=m_H2O_e*((1000)/(8000*3600)) {kg/s} m_H2O_s_SI=m_H2O_s*((1000)/(8000*3600)) {kg/s} {---------------------------------- DIMENSIONAMIENTO SECADERO -------------------------------------} {Punto 5} T[5]=19,1 {ºC} rh[5]=1 omega[5]=HumRat(AirH2O;T=T[5];r=rh[5];P=P1) {kgH2O/kg a.s.} m_v[5]=m_air*omega[5] {kg/s} h[5]=Enthalpy(AirH2O;T=T[5];r=rh[5];P=P1) {kJ/kg} {Balance de aguas secadero} m_H2O_e_SI + m_air*omega[4] = m_H2O_s_SI + m_air*omega[5] {Balance energía secadero} Cp_H2O=4,184 {kJ/kgºC} Cp_lodos=2 {kJ/kgºC} m_ps_e_SI*Cp_lodos*T[1] + m_H2O_e_SI*Cp_H2O*T[1] + m_air*h[4] = m_ps_s_SI*Cp_lodos*T[6] + m_H2O_s_SI*Cp_H2O*T[6] + m_air*h[5] LADO_1=m_ps_e_SI*Cp_lodos*T_amb + m_H2O_e_SI*Cp_H2O*T_amb + m_air*h[4] LADO_2=m_ps_s_SI*Cp_lodos*T[5] + m_H2O_s_SI*Cp_H2O*T[5] + m_air*h[5] LADO_3=m_H2O_e_SI + m_air*omega[4] LADO_4=m_H2O_s_SI + m_air*omega[5] {---------------------------------- DIMENSIONAMIENTO MACI -----------------------------------------------} Cp_gases=1,1 {kJ/kgºC} T[7]=400 {ºC} T[8]=140 {ºC} h[7]=T[7]*Cp_gases {kJ/kg} h[8]=T[8]*Cp_gases {kJ/kg} {Balance energía MACI} m_gases*(h[7]-h[8])=m_air*(h[4]-h[3]) {Lo primero que hay que hacer es calcular la potencia generada en el intercambiador de calor por los humos del motor} W_dot_g=m_gases*Cp_gases*(T[7]-T[8]) {A continuación, se utiliza el rendimiento de los gases} eta_g=0,22 eta_g=W_dot_g/Q_dot_c 121 Valorización energética de lodos de EDAR mediante cogeneración y biomasa {Por último, se utiliza el rendimiento eléctrico para obtener la potencia del motor} eta_e=0,44 eta_e=W_dot_e/Q_dot_c {--------------------------------------- DIMENSIONAMIENTO TG -----------------------------------------------} Cp_gases=1,1 {kJ/kgºC} T[7]=500 {ºC} T[8]=140 {ºC} h[7]=T[7]*Cp_gases {kJ/kg} h[8]=T[8]*Cp_gases {kJ/kg} {Balance energía TG} m_gases*(h[7]-h[8])=m_air*(h[4]-h[3]) {Lo primero que hay que hacer es calcular la potencia generada en el intercambiador de calor por los humos de la TG} W_dot_g=m_gases*Cp_gases*(T[7]-T[8]) {A continuación, se utiliza el rendimiento de los gases} eta_g=0,55 eta_g=W_dot_g/Q_dot_c {Por último, se utiliza el rendimiento eléctrico para obtener la potencia de la TG} eta_e=0,3 eta_e=W_dot_e/Q_dot_c {-------------------------------------- DIMENSIONAMIENTO PLANTA BIOMASA -------------------------------} {Punto 9} P[9]=60 {bar} T[9]=450 {ºC} h[9]=Enthalpy(Water;T=T[9];P=P[9]) {kJ/kg} s[9]=Entropy(Water;T=T[9];P=P[9]) {Punto 10} P[10]=0,1 {bar} eta_s=0,70 eta_s=(h[9]-h[10])/(h[9]-h[11]) {Punto 10s=11} P[11]=0,1 {bar}