Valorización energética de los residuos generados en la obtención de aceite de oliva

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA INDUSTRIAL TRABAJO FIN DE MÁSTER <VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DE LOS RESIDUOS GENERADOS EN LA OBTENCIÓN DE ACEITE DE OLIVA > Estudiante <Gutiérrez, Gutiérrez, Javier> Director/Directora <De La Peña, Aranguren, Víctor> Departamento Máquinas y motores térmicos Curso académico <2019-2020> Bilbao,15, 09,2020 Resumen Este proyecto se lleva a cabo con el objetivo de valorizar energéticamente el residuo producido en la elaboración de aceite de oliva virgen mediante una planta de biomasa. Para ello se empleará un ciclo Rankine en el que el combustible será el orujillo seco y extractado obtenido del aceite de extracción. Se incluirá una descripción detallada de la planta y su dimensionamiento, incluyendo además un estudio económico para cifrar la magnitud de un proyecto como este. The goal of this Project is to value the waste produced in the elaboration of the olive oil by a biomass plant. To fullfil that, a Rankine cycle is needed in which the fuel is dried olive pomace obtained from olive oil extraction. A detailed description and sizing of the plant will be included. In order to figure out the size of a Project like this an economic análisis is attached. Proiektu hau oliba olio birjina ekoizteko biomasa planta baten bidez ekoizten diren hondakinak energia berreskuratzeko helburuarekin egiten da. Horretarako, Rankinaren zikloa erabiliko da, eta erregai hori erauzteko oliotik lortutako oliba-lehor lehorra eta ateratakoa izango da. Lantegiaren eta haren tamainaren deskribapen zehatza jasoko da, halako proiektu baten magnitudea kalkulatzeko azterketa ekonomikoa ere barne. Palabras clave Aceite de oliva, alperujo, orujillo seco y extractado, residuo, biomasa, ciclo Rankine. Índice 1. Introducción .................................................................................................................. 6 2. Antecedentes ................................................................................................................ 7 2.1 Aceite en Europa .................................................................................................... 7 2.2 Aceite en España .................................................................................................... 8 3. Objetivos del proyecto ............................................................................................... 10 4. Protocolo de Kioto ...................................................................................................... 11 5. Descripción del proceso productivo ........................................................................... 12 5.1 Obtención del aceite de oliva virgen .................................................................... 12 5.2 Obtención del aceite de extracción ...................................................................... 18 5.3 Equipos principales ............................................................................................... 21 6. Problema medioambiental. Residuo generado .......................................................... 26 7. Valorización energética del residuo. Alternativas ...................................................... 27 7.1 Compostaje ........................................................................................................... 27 7.2 Gasificación ........................................................................................................... 29 7.3 Generación de energía eléctrica mediante ciclo Rankine .................................... 31 8. Alternativa seleccionada ............................................................................................ 34 9. Descripción de la planta de biomasa. Equipos principales ........................................ 35 9.1 Zona almacenamiento .......................................................................................... 35 9.2 Isla de potencia ..................................................................................................... 36 9.2.1 Caldera ........................................................................................................... 36 9.2.2 Grupo turbina-alternador .............................................................................. 45 9.2.3 Condensador.................................................................................................. 47 9.2.4 Desgasificador................................................................................................ 47 9.2.5 Bombas .......................................................................................................... 48 9.3 Edificios auxiliares................................................................................................. 49 10. Dimensionamiento de la planta ............................................................................... 50 11. Mantenimiento ......................................................................................................... 56 12. Estudio económico ................................................................................................... 59 13. Cronograma .............................................................................................................. 62 14. Bibliografía ................................................................................................................ 65 Anexo I ............................................................................................................................ 66 Índice ilustraciones Ilustración 1 Países productores aceite de oliva .............................................................. 7 Ilustración 2 Producción de aceite de oliva en España .................................................... 9 Ilustración 3 Almazara tradicional .................................................................................. 12 Ilustración 4 Metodos de producción de aceite de oliva ............................................... 15 Ilustración 5 Diagrama de flujo método dos fases ......................................................... 18 Ilustración 6 diagrama de flujo aceite de extracción ..................................................... 21 Ilustración 7 Molinillo de martillos ................................................................................. 22 Ilustración 8 Batidora horizontal .................................................................................... 22 Ilustración 9 Decanter .................................................................................................... 23 Ilustración 10 Vibrofiltro................................................................................................. 23 Ilustración 11 Centrifugadora vertical ............................................................................ 24 Ilustración 12 Depósitos aceite ...................................................................................... 24 Ilustración 13 Horno tipo Trómel ................................................................................... 25 Ilustración 14 Proceso gasificación ................................................................................. 30 Ilustración 15 Ciclo Rankine ............................................................................................ 32 Ilustración 16 Hogar de la caldera .................................................................................. 37 Ilustración 17 Economizador .......................................................................................... 39 Ilustración 18 Ciclón ....................................................................................................... 42 Ilustración 19 Filtro de mangas ...................................................................................... 43 Ilustración 20 Turbina ..................................................................................................... 46 Ilustración 21 Grupo turbina-alternador ........................................................................ 46 Ilustración 22 Esquema de la planta .............................................................................. 50 Ilustración 23 Datos de partida ...................................................................................... 51 Ilustración 24 Caldera ..................................................................................................... 51 Ilustración 25 Condensador ............................................................................................ 53 Ilustración 26 Bomba ...................................................................................................... 53 Ilustración 27 Desgasificador .......................................................................................... 54 Ilustración 28 Presupuesto ............................................................................................. 59 Ilustración 29 Ingresos y gastos anuales ........................................................................ 60 Ilustración 30 Balance económico .................................................................................. 61 Ilustración 31 Tareas del proyecto ................................................................................. 62 Ilustración 32 Diagrama de Gantt................................................................................... 63 Ilustración 33 Propiedades termodinámicas .................................................................. 66 1. Introducción En este proyecto se va a llevar a cabo el estudio de la valorización energética de los residuos generados en la obtención de aceite de oliva. La producción de aceite puede dividirse en dos fases: fabricación de aceite de oliva virgen y aceite de extracción. La primera de estas fases corresponde a la fabricación de aceite de oliva virgen, llevándose a cabo en una almazara logrando un rendimiento del 97%, siendo el 3% restante el aceite obtenido en la segunda fase, la extracción. La producción de aceite en las almazaras es la responsable de la aparición del alperujo, residuo contaminante formado en un 70% por agua, el cual se introduce en la segunda fase de producción, la extracción produciendo el segundo de los residuos denominado orujillo seco y extractado. Este último puede tener varios usos como guardarse para su venta como combustible o parte de él, en torno al 20% puede quemarse para secar el alperujo. Con el objetivo de realizar esta labor con el mínimo impacto medioambiental posible, se ha pensado instalar un ciclo Rankine para valorizar este residuo procedente de la extracción del aceite de oliva. Se definirán las condiciones que tienen que cumplirse para poder implementar correctamente esta tecnología entre las diferentes alternativas posibles. Partiendo de la cantidad de combustible disponible se realizará el dimensionamiento de la planta obteniendo sus valores característicos. Se incluirá una descripción detallada de los principales equipos necesarios. Para conseguir cifrar los gastos de un proyecto de tal magnitud y demostrar la viabilidad de este se realizará un estudio económico, incluyendo también algún valor indispensable como inversión o periodo de retorno. Este estudio cuenta también con una planificación de todos los trabajos que se completarán en el que se incluirán las fechas de inicio y fin de cada tarea, así como los hitos del proyecto. 2. Antecedentes El consumo de aceite de oliva anual es cercano a los 3 millones de toneladas, cifra con tendencia ascendente principalmente gracias a las excelentes propiedades de este alimento. Para satisfacer esta demanda, la producción de aceite de oliva está repartida en al menos 32 países distintos, alcanzando una producción en el entorno de los 2,8 y 3,2 millones de toneladas anuales en función de la temporada. Conviene destacar que del total aproximadamente 10 países copan la producción mundial de aceite de oliva. Europa además de ser el principal consumidor de aceite de oliva con cerca de 1,5 millones de toneladas anuales, también es el principal productor generando aproximadamente el 70% anual. 2.1 Aceite en Europa Como ya se ha comentado Europa es el principal productor de aceite de oliva mundial. En el grafico siguiente se puede observar que España, Italia, Grecia y Portugal son los principales países productores de esta materia (84%). Ilustración 1 Países productores aceite de oliva 55% 16% 9% 5% 16% Producción de aceite de oliva en Europa España Italia Grecia Portugal Resto De estos datos se puede deducir que la principal área de producción de este tipo de aceite se encuentra en países ubicados en el mar mediterráneo, además de Portugal, que en los últimos años ha experimentado un enorme crecimiento gracias en parte a sus nuevas plantaciones de olivar de regadío. Fuera de esta zona del mediterráneo, encontramos como principales productores a Chile, Australia y Argentina, aunque lejos de las cantidades de estos. El sector del aceite, conocido también como oro líquido, supone de gran ayuda para la economía estos países, teniendo una carga importante en el PIB. Pero no todo son aspectos positivos, una de las grandes desventajas del proceso de fabricación de aceite de oliva es la aparición de residuos. Estos residuos suponen grandes cantidades de materia contaminante y es preciso eliminarlos, es por ello el estudio de la valorización del orujillo seco producido en la extracción del aceite de oliva. 2.2 Aceite en España España es la principal potencia productora y exportadora de aceite de oliva a nivel mundial con gran diferencia, estadísticamente uno de cada dos litros de aceite que hay en el mercado es de origen español. Dispone de una superficie de cultivo cercana a los 2,5 millones de hectáreas gracias a la cual logra producir una media anual que asciende a 1,2 millones de toneladas, siendo el consumo aproximado un total de 400.000 toneladas anuales. El sector de producción de aceite representa el 5% de las empresas agroalimentarias en España y el 9% de las exportaciones de productos de este sector. Engloba aproximadamente un total de 1570 empresas que dan trabajo a cerca de 8000 personas, siendo la gran mayoría pertenecientes al sector de la recolecta En cuanto a la procedencia de este aceite en territorio nacional, hay un gran líder y es Andalucía, que produce un 85% del total en el país y alcanzando una cuota del 32% en la producción a nivel mundial. Ilustración 2 Producción de aceite de oliva en España En este gráfico se pueden observar el resto de principales comunidades productores de este aceite. La producción de 1,2 millones de toneladas de aceite anuales equivale al uso de 4,8 millones de toneladas de aceituna (suponiendo un rendimiento del 25%). Al realizar la extracción del alperujo, obtenemos indirectamente un residuo no deseado que es el orujillo. En España se producen anualmente en torno a 1 millón de toneladas de este residuo. Es importante lograr reducir esta cantidad de residuo, lo que lleva a dos opciones: almacenar el orujillo para su venta como combustible para plantas de biomasa o utilizar parte del residuo como combustible de una caldera de biomasa para secar al alperujo producido en las almazaras. 85 6,6 2,7 2,2 12,5 Producción de aceite de oliva en España Andalucia Castilla la mancha Extremadura Cataluña Aragón resto los restos no deseados como son hojas, piedras y tallos. Primero mediante soplado se eliminan tanto hojas como pequeñas ramas, a continuación, se introducen en una criba para eliminar los restos de menor tamaño. Por último, se procede al lavado de las aceitunas empleando agua declarada y descalcificada. 3. Pesaje y almacenaje: Después de la limpieza se dirigen las aceitunas a una báscula en el interior de una tolva, estas entran de manera continua hasta completar el peso de una cantidad anteriormente establecida y una vez alcanzado se descargan automáticamente. 4. Transporte al almacenamiento: Una vez que se dispone de las aceitunas limpias y pesadas, la materia esta lista para comenzar el proceso de extracción. Para ello se llevan a la tolva de almacenamiento a la espera de comenzar. En esta fase con el objetivo de no perder propiedades y disminuir la calidad del aceite se limite a 48 horas el tiempo de estancia. 5. Molienda: Se considera la primera fase de la propia extracción. Se emplean molinos de martillo con cribas concéntricas y cabezas de acero extraduro al tungsteno dispuesto en forma de hélice que se encargan de triturar la aceituna. Estas cribas van disminuyendo su tamaño paulatinamente con el objetivo de reducir el tamaño del material. Las cabezas son las encargadas de romper los tejidos vegetales e ir formando poco a poco gotas de aceite que se irán adhiriendo a otras formando cada vez gotas de mayor tamaño. 6. Batido: Para lograr acumular la mayor cantidad de aceite se realizada el batido de la pasta producida en la molienda. Se lleva a cabo en un tambor donde las palas remueven la mezcla para conseguir separar la emulsión formada por agua y aceite, formando poco a poco gotas de aceite cada vez más grandes. Este proceso deber durar en torno a 1 hora y un aumento de temperatura logra mejorar el rendimiento sin superar la barrera de los 27 ºC ya que el aceite comenzaría a perder calidad. 7. Decantado: En este caso en dos fases, separa el aceite del resto de componentes de la mezcla como son el orujo y agua de vegetación. Formado por un rotor horizontal con forma de cilindro troncocónico que aloja en su interior un tornillo sinfín hueco. Gracias a la diferencia de densidades y las fuerzas centrifugas provocadas se consigue separar, depositándose la materia más pesada en las paredes exteriores(alperujo) y el aceite en el cilindro de menor diámetro extrayéndose por uno de los extremos. 8. Transporte del alperujo: Se lleva a una tolva de almacenamiento a la espera de que una empresa externa se haga cargo de su tratamiento, estas empresas son las productoras de aceite de extracción. 9. Filtrado: Se hace pasar el aceite obtenido en el decantador para retener las partículas en suspensión que contiene. Este filtrado se realiza a una temperatura de 18 ˚C 10. Centrifugado vertical: A través de unas bombas se dirige el aceite filtrado a la centrifugadora con el objetivo de eliminar esas impurezas que todavía se encuentran en el aceite. Para esta operación es necesario añadir una pequeña cantidad de agua para conseguir realizar la separación liquido-liquido por diferencia de densidades. En este caso el aceite forma el anillo interior mientras que el agua forma el anillo exterior logrando dos corrientes de salida separadas. 11. Almacenaje: Con esta operación acaba la fabricación de este aceite de oliva, es necesario almacenar el aceite bajo unas condiciones idóneas para que no pierda sus propiedades. Se emplean depósitos de acero inoxidable cerrados para evitar cualquier contacto con agentes externos. Este almacenamiento se realiza a una temperatura entre 15-18 ˚C y con un tiempo mínimo de 45 días. Por seguridad se dispone de purgadores en el fondo del depósito por si el aceite todavía tiene alguna impureza. Como este es el caso más común de fabricar el aceite de oliva en una almazara se presenta el diagrama de flujo más detallado: Ilustración 5 Diagrama de flujo método dos fases 5.2 Obtención del aceite de extracción La producción del aceite de oliva en las almazaras genera una gran cantidad de alperujo, residuo que de no ser tratado supondría un gran problema en este proceso productivo. Este alperujo todavía posea un porcentaje de aceite alrededor del 3% que hace rentable la producción de aceite de extracción. Esta extracción se lleva a cabo en instalaciones industriales llamadas orujeras, donde además de obtener el aceite de extracción se obtiene orujillo seco, residuo que puede tener distintas aplicaciones. Puede emplearse como combustible en una caldera para generar electricidad a través de un ciclo Rankine, también puede quemarse para generar calor en el secadero empleado para reducir la humedad del alperujo o incluso almacenarse para su venta a empresas externas. Anualmente en España se producen 3.600.000 toneladas de alperujo, por tanto, la existencia de estas orujeras que permiten disminuir esta cantidad de residuo se convierte en obligatorio. Existen dos formas de extraer aceite del alperujo: utilizando agentes químicos(disolvente) o físicos(centrifugación). El método más empleado consiste en un centrifugado y una extracción con hexano. El proceso consta de las siguientes fases: 1. Recepción del alperujo: La materia se almacena en balsas estancas impermeabilizadas para lograr reducir el alto contenido en humedad, entono al 70%, y así disminuir el coste del secado. Se debe evitar un periodo de almacenamiento prolongado a causa de la aparición de olores debido a la oxidación. 2. Centrifugado: Se consigue obtener aproximadamente un 50% del aceite que contiene el alperujo. Este aceite se denomina aceite de orujo o de extracción. 3. Secado: Permite eliminar el alto contenido de agua del alperujo para conseguir una mayor eficiencia en la extracción que vendrá a continuación. Se emplea un secadero tipo trómel, cilindro giratorio de grandes dimensiones con una pequeña inclinación para el paso del alperujo. El horno se alimenta de orujillo seco (a través de un tornillo sinfín) o inyectando gas natural. Se emplean dos secaderos en serie, el primero de ellos a una temperatura de 500 ˚C logrando reducir la humedad hasta un 30% aproximadamente y el segundo a una temperatura bastante inferior, unos 80 ˚C que reduce hasta un 10% de humedad final. 4. Molienda y granulación: Para lograr el tamaño de partícula adecuado se somete a una molienda, granulándolo posteriormente para favorecer el proceso de extracción. 5. Extracción mediante disolvente: La materia granulada se introduce en un tanque, una vez lleno comienza el proceso. Se pone en contacto con una corriente de hexano dejando tiempo para que se produzca la reacción, y formar una mezcla aceite + hexano, que tras repetirse varias veces da lugar a un orujo lixiviado con un pequeño contenido en aceite (0,5%). 6. Desolventizado: En el orujo lixiviado todavía existen restos del hexano utilizado y se hace necesario eliminarlo de la mezcla. Para ello se utiliza una máquina desolventizadora-tostadora formada por varios pisos en los que se encuentran paletas agitadoras, compuertas no enfrentadas, camisa de vapor y entradas de vapor. El orujo discurre a través de los pisos lográndose evaporar el hexano que contiene obteniendo finalmente orujo seco y extractado. 7. Eliminación del disolvente: Se lleva a cabo en refinerías de aceite, en las cuales mediante una destilación se logra separar el aceite del disolvente, consiguiente finalmente aceite de extracción preparado para ser almacenado y envasado para su venta. Ilustración 6 diagrama de flujo aceite de extracción En la imagen anterior se puede apreciar el diagrama de flujo de las diferentes fases que acontecen en una extractora de aceite. 5.3 Equipos principales 5.3.1 Equipos almazara • Molinillos de martillo: Normalmente de eje horizontal, tiene forma de estrella y está dotado de cabezas de acero extraduro al tungsteno que se encargan de realizar la molienda. El tamaño de la molienda está regulado por el diámetro de perforación de la criba que gira en sentido contrario al de los martillos. Dispone además de un sistema de arrastre que evita atascos y resistencias excesivas en el proceso de trabajo. Ilustración 7 Molinillo de martillos • Batidora horizontal: De uno o dos cuerpos horizontales, construida en acero inoxidable con una cámara por la que circula agua caliente para caldeo de la misma. La pasta se introduce en la batidora donde unas palas helicoidales giran a una determinada velocidad aglutinando al máximo posible las partículas de aceite suspendidas. Ilustración 8 Batidora horizontal • Decanter: Encargado de separar el aceite del resto de componentes, de eje horizontal y con forma de cilindro troncocónico en cuyo interior dispone de un tornillo sinfín hueco Ilustración 9 Decanter • Vibrofiltro: Retienen las partículas sólidas en suspensión. Ilustración 10 Vibrofiltro • Centrifugadora vertical: Se eliminan solidos finos e impurezas del aceite, así como eliminar su humedad mediante el uso de fuerzas centrifugas y en el interior de un rotor de platillos. Ilustración 11 Centrifugadora vertical • Depósitos: Lugar donde se almacena el aceite una vez concluido el proceso de fabricación. Construidos en acero inoxidable, material opaco e impermeable y que evita absorber olores permite mantener las propiedades del aceite, manteniendo una temperatura en torno a los 15 ˚C. Ilustración 12 Depósitos aceite 5.3.2 Equipos extractora • Centrifugadora: Similar al caso de la almazara • Secadero: Su objetivo es eliminar la humedad que contiene el alperujo para que la extracción sea más eficiente. Se emplea un secadero tipo trómel, con una pequeña inclinación para el paso de la materia. El horno se alimenta de biomasa o gas natural y dispone de unos ventiladores que inyectan el aire necesario para la combustión. En el interior unas palas longitudinales voltean continuamente el material para favorecer el secado. Ilustración 13 Horno tipo Trómel • Torres de rectificación: Se lleva a cabo en las refinerías, mediante una destilación se encarga de separar el aceite del disolvente empleado. Por un lado, el aceite se almacena para su posterior venta y por el otro, el hexano se recupera para volver a ser utilizado. • Maquina desolventizadora-tostadora: Encargada de eliminar el hexano liquido existente en el orujillo mediante evaporación dando lugar a un combustible con una humedad muy baja. En la siguiente imagen puede observarse el esquema de un ciclo Rankine con los distintos equipos Ilustración 15 Ciclo Rankine Este ciclo puede dividirse en 4 etapas que se llevan a cabo mediante una bomba, la caldera, la turbina y el condensador, siendo el ciclo ideal el siguiente: • Compresión isoentrópica (1-2): Se aumenta la presión del fluido en estado líquido de trabajo hasta la presión de la caldera mediante el uso de una bomba que consume una pequeña cantidad de energía. • Aporte calor (2-3): Tiene lugar el cambio de fase del fluido mediante el aporte de calor proveniente de la combustión del orujillo seco y extractado en la caldera. • Expansión isoentrópica (3-4): Se expansiona el fluido desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador obteniendo un trabajo mecánico. Empleando un alternador esta potencia mecánica se transforma en potencia eléctrica y logramos el efecto útil del equipo. • Condensación (4-1): Cesión de calor al exterior por parte del fluido hasta alcanzar el estado de líquido saturado. Este proceso tiene lugar en el condensador e idealmente se produce sin pérdida de carga. Esta aplicación para la biomasa tiene como principal ventaja numerosos años de experiencia y por tanto un amplio conocimiento de su funcionamiento. Permite su funcionamiento en diversos rangos de carga y, en consecuencia, se trata de un sistema con gran capacidad para adaptarse a diferentes situaciones. Por último, es un sistema con procedimiento de arranque y paradas simple, lo cual facilita la gestión del abastecimiento de biomasa. Por otro lado, la inversión inicial que hay que realizar para una instalación como esta es grande. Además, un aspecto a tener muy en cuenta es el control del estado del fluido a la entrada de la turbina para evitar posibles averías aumentando así la complejidad de gestión de un ciclo Rankine. 8. Alternativa seleccionada En primer lugar, aunque permita valorizar el residuo por completo, la opción del compostaje se desecha debido a que no se aprovecha su potencial energético como si lo hacen las otras dos opciones. Además, hay que tener en cuenta que la climatología supone un factor importante en este proceso y es algo que no se puede controlar, solo predecir. La gasificación es un proceso muy complejo que se realiza mediante una serie de reacciones que tienen como objetivo transformar la biomasa en combustible. A esto hay que añadir que si comparamos ese combustible con otras alternativas su poder calorífico es bastante bajo y por tanto no es una opción tan aconsejable. Además, hay una gran numero de factores que controlar de los que dependerá las características del combustible final y debido a los equipos empleados es recomendable llevar el proceso a cabo de forma continua, aumentando la complejidad de gestión. Por tanto, la alternativa seleccionada es la generación de energía eléctrica mediante el uso de un ciclo Rankine. A pesar de que es necesaria una gran inversión en los equipos al igual que en la gasificación, este tipo de plantas tienen una operación más sencilla ya que la cantidad de factores que afectan al proceso son muy inferiores. Otro aspecto clave es la experiencia con esta tecnología, se trata de un ciclo ampliamente utilizado y estudiado del que se tiene un gran conocimiento de su funcionamiento y aplicaciones. 9. Descripción de la planta de biomasa. Equipos principales En este apartado se va a describir detalladamente la alternativa seleccionada, así como los equipos que son necesarios en cada una de sus etapas. La biomasa es un combustible de interés para el sector industrial gracias a su aceptable poder calorífico, buen comportamiento como combustible, bajo coste y emisiones reducidas. Puede emplearse en procesos industriales que necesiten un aporte de calor, como son el secado, producción de agua caliente o vapor, aceite térmico… Los avances tecnológicos conseguidos en los diferentes equipos que se emplean en este tipo de plantas, así como el desarrollo de mejoras en los ciclos han permitido que la biomasa logre ser tan eficiente, cómodo y competitivo como los combustibles sólidos en sus respectivas instalaciones. Las plantas de biomasa pueden dividirse en tres áreas principales: zona almacenamiento, isla de potencia y edificios auxiliares. 9.1 Zona almacenamiento Se dispone de una zona de terreno a la intemperie en el que el orujillo se almacena en montones y aunque pueda parecer contradictorio este no se protege de la lluvia ya que la propia capa superficial protege al resto de la biomasa. Esta zona está destinada para almacenar la biomasa a dos meses vista ya que normalmente para reducir costes se abastece para varios meses, es por ello que aparte existe un almacén nodriza donde se encuentra la biomasa que va a ser empleada por la planta ese mismo día. Una cinta transportadora se encarga de transportar el combustible hasta el silo que alimenta la caldera, durante este recorrido se realiza una criba para eliminar restos que pueda contener como piedras, metales… El silo alimenta de forma automática a través de dosificadores volumétricos y empujadores accionados por cilindros hidráulicos de manera que se disponga siempre la cantidad necesaria para cada régimen de carga. 9.2 Isla de potencia Esta área engloba aquellos equipos necesarios para la generación de energía eléctrica que pueden dividirse en: Caldera, grupo turbina-alternador, condensador... 9.2.1 Caldera Una caldera es un dispositivo empleado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la presión atmosférica. Su objetivo es aumentar la entalpia del fluido de trabajo, que generalmente es agua, gracias a que en forma de vapor este tiene unas propiedades adecuadas para su uso: Barato, inocuo, fácil de controlar, no se inflama ni explota, no es tóxico y además es capaz de almacenar una gran cantidad de energía en poca masa. Para el caso de una planta de biomasa la caldera empleada es acuotubular, en este caso el fluido empleado por el ciclo Rankine (agua) circula por el interior de los tubos mientras que los humos lo hacen por fuera. A pesar de ser más caras y más complejas, este tipo de calderas nos permiten disponer de altas presiones y temperaturas necesarias en una planta como esta. Los elementos principales de una caldera son: • Quemador: Lugar donde se produce la mezcla del aire comburente y combustible. • Hogar: En él se produce la combustión. • Zona de tubos: Encargada del intercambio térmico entre humos y agua, está formada por economizador, evaporador y sobrecalentador. • Sistemas de control: necesarios para controlar los parámetros fundamentales como pueden ser temperaturas, presiones, caudales… 9.2.1.1 Hogar Lugar donde se produce la combustión del orujillo seco y extractado para su aprovechamiento térmico. En este caso al tratarse de un combustible sólido y concretamente orujillo de aceituna el tipo de caldera utilizado es de parrillas móviles. En la imagen siguiente se puede ver la disposición general de este tipo de parilla con sus elementos característicos Ilustración 16 Hogar de la caldera Este tipo de calderas se basa en el avance del combustible mediante el arrastre de unos elementos provistos de movimiento relativo entre sí. A través de ellos se introduce el aire necesario para la combustión. El combustible se introduce por la tolva, llegando a través de la garganta hasta el ariete de carga, donde empleando cilindros hidráulicos, se alimenta de combustible las parrillas de la caldera. Estas están dispuestas inclinadas lo que permite una combustión homogénea, así como facilitar el avance. Por la parte inferior de estas parrillas se introduce el aire comburente en una cantidad que asegure la combustión completa. Al tratarse de un sistema sin refrigeración, en el interior del hogar se alcanzan temperaturas de 1000 ˚C, lo que conlleva el uso de aleaciones de cromoníquel capaces de soportar estas condiciones. La combustión de la biomasa acontece en las siguiente cinco fases: • Fase 1: Evaporación del agua contenida en el combustible, hasta 150 ˚C • Fase 2: Se produce la descomposición química, pirolisis. Temperaturas en 150230 ˚C • Fase 3: Gasificación del combustible seco, entre 230 y 500 ˚C • Fase 4: Gasificación del carbón sólido, llegando a temperaturas 500-700 ˚C • Fase 5: Oxidación de los gases combustibles, entre 700 y 1000 ˚C Un parámetro importante en el diseño del hogar es la distancia que existe entre este y la zona de tubos para evitar la solidificación de las partículas presentes en los humos que disminuirían la transferencia de calor en la caldera. Normalmente la distancia mínima entre ambas partes es de 2m. Para contribuir a este hecho, se introduce también aire secundario a la caldera para lograr la combustión completa de los inquemados y volátiles. 9.2.1.2 Economizador El economizador es el encargado de aumentar la temperatura del fluido a la entrada de la caldera hasta su temperatura de saturación aprovechando el calor de los humos de la combustión. En este caso el economizador se encuentra en el exterior de la caldera por lo que no es necesario que tengas garantías de presión. Ilustración 17 Economizador En la imagen se observa que el economizador está formado por tubos unidos entre si formando el serpentín. Estos tubos están distanciados uniformemente para asegurar la transferencia de calor homogénea. El colector de entrada es el encargado de distribuir el agua uniformemente a cada columna de tubos del serpentín. Una vez en este, el agua que circula por el interior comienza el intercambio térmico con los humos de la caldera sin llegar a producirse el cambio de fase. Por último, el colector de salida recoge el agua de cada columna para trasladarlo al siguiente dispositivo. Normalmente, los economizadores están envueltos por chapas de acero formando el casing con el objetivo de maximizar el intercambio térmico y asegurar también la seguridad tanto del propio equipo como los operarios. Dispone de huecos alrededor para llevar a cabo las tareas de puesta en marcha, mantenimiento… 9.2.1.3 Vaporizador y sobrecalentador Una vez alcanzado el estado de líquido saturado, el agua se dirige a la zona de tubos del interior de la caldera formada por dos zonas diferenciadas: evaporador y sobrecalentador. Tanto el evaporador como sobrecalentador están formados por tubos horizontales en la zona superior de la caldera previamente calculados para alcanzar las condiciones de diseño. En el primero de los dispositivos se produce el cambio de fase de agua líquida a vapor de agua, siendo para este proyecto con una presión en la caldera de 60 bar, la temperatura a la que se produce el cambio de fase 275,6 ˚C. A continuación, el vapor discurre por la zona de tubos correspondiente al sobrecalentador donde alcanzara las condiciones de salida, en este caso 450 ˚C a 60 bar. 9.2.1.4 Aislamiento de caldera Uno de los principales aspectos de las centrales térmicas es el aislamiento de sus principales equipos como pueden ser la caldera, tuberías y auxiliares y depósitos. El sistema empleado para conocer el estado del aislamiento de estos equipos es la termografía infrarroja, equipo que detecta la emisión de calor de los diferentes elementos y da a conocer la temperatura en cada punto. Por ley, la temperatura máxima a la que cualquier equipo al que se tenga acceso en la industria es de 60 ˚C. Por ello una de las principales razones para realizar el aislamiento de los equipos es esta. Además, los dispositivos calorifugados evitan las pérdidas de calor excesivas y por tanto supone una medida de eficiencia energética. 9.2.1.5 Tratamiento de agua de calderas La calidad del agua empleado en la caldera es fundamental para una buena operación de esta. El agua sin tratar contiene sodio, calcio y hierro, incluso gases del aire disueltos. Además, en estado coloidal existen también partículas de sílice y óxido de hierro. En caso de alcanzar la caldera estas partículas podrían dar lugar a la formación de incrustaciones, arrastre de sílices y desprendimiento de los gases disueltos del aire. Es imposible lograr un circuito completamente estanco, al ser vapor lo que circula por el ciclo, favorecido por el efecto Venturi crea una depresión a su paso por las válvulas favoreciendo a que el aire penetre. Esta presencia de aire en las tuberías puede causar corrosión, golpe de ariete, ruido y cavitación. Para contrarrestar la presencia de partículas dañinas en el ciclo se llevan a cabo las siguientes fases de tratamiento del agua: • Pretratamiento: Se llevan a cabo la filtración y la coagulación – floculación – decantación. Este último se encarga de facilitar la retirada de sólidos en suspensión y de las partículas coloidales. Mediante la coagulación se desestabiliza las partículas coloidales debido a la adición de un reactivo químico llamado coagulante neutralizando sus cargas electroestáticas. Le sigue la floculación, aglomerando las partículas desestabilizadas en microflóculos y después en flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo. Por último, el decantador elimina estos flóculos • Desmineralización: El proceso de desmineralización por intercambio iónico consiste en hacer pasar el agua a través de una cama de resina catiónica (cargada con iones H+) y una aniónica (cargada con iones OH-) o una cama con ambas conocida como resina mixta. Los iones disueltos no deseados son intercambiados, eliminados por adsorción sobre un material sólido. 9.2.1.6 Aspectos medioambientales de las calderas Desde el punto de vista medioambiental, las mayores emisiones y, por tanto, las que requieren una limpieza más exigente son las calderas que emplean combustibles sólidos como el caso del orujillo. Como ya se ha comentado cada día es mayor la preocupación respecto al impacto ambiental y, por consiguiente, las leyes en cuanto a emisión de partículas más restrictivas. externa favoreciendo la entrada del aire al circuito debido al efecto Venturi. Este suceso supone un peligro para la integridad de la planta ya que puede conllevar cavitación en las bombas, golpes de ariete en tuberías y válvulas, oxidación y ruido. Para corregir esta situación se instala un desgasificador en la planta con el objetivo de eliminar todo ese aire infiltrado a lo largo del circuito. No solo elimina esas partículas disueltas de O2 y CO2, sino que también tiene como objetivo precalentar el agua de alimentación a la caldera. Para ello, el desgasificador operara a una temperatura de 105 ˚C evitando que existan gases disueltos. Los desgasificadores están formados por dos depósitos distintos, el superior de pequeñas dimensiones y el inferior de gran tamaño. El primero es el encargado de eliminar los gases que se encuentran en la disolución a la salida del condensador. Para lograrlo se introduce por la parte superior la mezcla procedente del condensador y a contracorriente se mezcla con el vapor procedente del sangrado de la turbina logrando eliminar alrededor del 90% de los gases. El depósito inferior de grandes dimensiones es el encargado de almacenar el agua precalentado y está conectado directamente a la bomba de alimentación a la caldera. La entrada del vapor extraído en la turbina se realiza a través de este depósito inferior. Dispone además de una válvula de drenaje encargada de expulsar agua cuando el nivel está por encima del máximo. 9.2.5 Bombas La bomba es la encargada de aumentar la energía del fluido para que este alcance las condiciones deseadas. En este caso la primera de las bombas se encarga de aumentar la presión del líquido a la salida de condensador hasta los 3 bar, presión a la que opera el desgasificador. A la salida de este, se localiza la segunda de las bombas cuyo objetivo es aumentar la presión del fluido hasta los 60 bar antes de ser introducido a la caldera. 9.3 Edificios auxiliares Estos edificios permiten disponer del espacio necesario para equipos, personal y materiales no incluidos en los apartados anteriores. Como en cualquier planta, se dispone un espacio para los trabajadores, ya sea en forma de oficinas o despachos individuales para el desarrollo de las actividades relacionadas. Uno de los aspectos más importantes de cualquier planta de este tipo es el control del correcto funcionamiento. Para ello se habilita la sala de control donde se supervisa al momento el correcto funcionamiento de cada área de la planta, así como del conjunto general. Con los años se ha hecho más común el uso de SCADA, sistema que permite controlar de manera remota una instalación a través de la información que recibe de actuadores y sensores facilitando en gran medida esta actividad. Estos edificios auxiliares también sirven para alojar todos los dispositivos eléctricos necesarios en la planta. Además, para optimizar los tiempos se dispondrá de un espacio donde se guardarán aquellas piezas de repuesto y mantenimiento más habituales necesarias para un correcto funcionamiento de la instalación. Se incluyen también espacios para las necesidades de los trabajadores como son servicios, cocina-comedor, vestuarios… 10. Dimensionamiento de la planta En este apartado se va a llevar a cabo el dimensionamiento de la planta, así como todos los cálculos termodinámicos de cada equipo. Para ello partiremos del siguiente esquema de la planta. Ilustración 22 Esquema de la planta En la imagen se aprecian todos los equipos de la planta empezando por la caldera a continuación, el ciclo avanza hacia la turbina, donde se realiza una extracción intermedia, conectada a su vez a la reductora y alternador. A la salida de la turbina el vapor circula a través del condensador obteniendo líquido saturado a su salida. La bomba se encarga de aumentar la presión del fluido hasta la del desgasificador, encargado de eliminar el aire filtrado cuya salida se dirige a la bomba de alta presión para alimentar a la caldera. En la siguiente tabla se pueden observar los datos de partida para los cálculos energéticos de la planta: Ilustración 23 Datos de partida • Caldera: El primer dispositivo de la planta a analizar es la caldera, ya que es de la que más datos de partida tenemos. 𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 𝑀𝑣 ∗ (ℎ1 −ℎ7) 𝑄 ∗ 𝑃𝐶𝐼 Para las entalpias de los estados 1 y 7 conocemos tanto su temperatura como presión por tanto están definidas, el rendimiento de la caldera, Q y el PCI son datos de partida del problema por lo que a través de esta ecuación calcularemos el caudal de vapor que circula por el ciclo. Ilustración 24 Caldera h1 = 3301,45 kJ/kg h7 = 444,64 kJ/kg Mv = 6,53 kg/s • Turbina: Al realizarse una extracción intermedia, hay que tratar al conjunto como si fuesen dos turbinas distintas. La primera de ellas considerada de media presión, tiene como entrada el estado 1 y como salidas el estado 5 y un estado intermedio 2´, los cuales son idénticos. 𝜂𝑖𝑠𝑜𝑡𝑢𝑟𝑏 = ℎ1−ℎ2´ ℎ1−ℎ2´𝑠 Sabiendo que h2´s es la entalpia a la presión del punto 2´que es 3 bar y con la entropía del estado 1 s1 = 6,72 kJ/kgK. h2´= 2822,33 kJ/kg La entrada de la turbina de baja presión es el estado 2´y la salida es el estado 2, aplicando la misma fórmula de antes obtenemos: h2 = 2331 kJ/kg Hay que tener en cuenta que parte de la masa de vapor se ha extraído de la turbina y por tanto la masa que circula por el ciclo queda de la siguiente manera: m5 = X * Mv m2 = (1-X) * Mv donde X es el porcentaje de masa del sangrado de la turbina • Condensador: El condensador utiliza agua procedente de un embalse para refrigerar el vapor y obtener liquido saturado. Por ley la diferencia máxima de temperatura del fluido auxiliar empleado es de 7 ˚C. Balance de energía en el condensador: (1-X)*Mv*(h2-h3) = Mr*(h9-h8) h9 – h8 = 4,18 * (7) = 29,26 kJ/kg h3 = 191,83 kJ/kg En esta ecuación tenemos dos incógnitas que son X y Mr, y por tanto a priori no podría resolverse de momento. Al resolver el desgasificador se obtendrá el valor de X y a continuación se volvería a esta ecuación para obtener Mr que es la masa de refrigeración necesaria. Mr = 432,52 kg/s • Bomba: ηisobomb = ℎ4𝑠−ℎ3 ℎ4−ℎ3 otra forma de escribirlo: h4-h3 = v3*(P4-P3), donde V3 es el volumen especifico del estado 3, que al ser una bomba el dispositivo empleado será igual que el volumen especifico del estado 4. v3 = 0,00101 m3/kg h4 = 192,12 kJ/kg Ilustración 25 Condensador Ilustración 26 Bomba • Desgasificador: Encargado de eliminar el aire filtrado al circuito y precalentar el agua a la entrada de la caldera. Balance de energía en el desgasificador: (1-X)*Mv*h4 + X*Mv*h5 = Mv*h6 Sabiendo la presión y temperatura del estado 6 h6 = 440 kJ/kg X = 0,094 Una vez realizados todos los balances energéticos de cada equipo conocemos todos los valores característicos de la planta, pasaremos a obtener las potencias. WturbMP = Mv * (h1-h2´) = 3130 kW WturbBP = (1-X) * Mv * (h2´-h2) = 2908 kW Wbomb1 = (1-X) * Mv * (h4-h3) = 1,7 kW Wbomb2 = Mv * (h7-h6) = 25,3 kW Wtotal = WturbMP + WturbBP - Wbomb1 - Wbomb2 = 6011 kW 5 Ilustración 27 Desgasificador Teniendo en cuanta el rendimiento mecánico de la reductora y el rendimiento eléctrico del alternador la potencia eléctrica obtenida del ciclo es: We = Wtotal * 0,9 * 0,97 = 5247,6 kW El rendimiento del ciclo es: ηciclo = 𝑊𝑒 𝑄∗𝑃𝐶𝐼 = 23,9 % A su vez es necesario también calcular el espacio destinado al almacenaje del orujillo seco y extractado, para ello tendremos en cuenta que en la planta solo se dispondrá de combustible como máximo a 2 meses vista. Vol = 𝑄∗8000 𝜌 = 66672 m3, donde 8000 son las horas al año de uso de la planta Obtendríamos el volumen total de combustible utilizado en un año, pero teniendo en cuenta que solo tendremos como máximo el combustible necesario para dos meses, esto será 1/6 parte del total. Volalm= 1 6 * Vol = 11112 m3 Sabiendo que el combustible se almacenará en montones con una altura de 4 metros, la superficie necesaria será: Sup = Volalm 4 = 2778 m2 Para asegurarnos de disponer espacio suficiente para circular entre montones y acceder sin ningún tipo de problema se sobredimensionará un 20% más, dando lugar a una superficie destinada a almacenamiento del combustible. S = Sup * 1,2 = 3333,6 m2 Las propiedades termodinámicas de todos los estados del ciclo se pueden ver en el ANEXO I 11. Mantenimiento Uno de los aspectos más importantes para que la planta funcione correctamente es el mantenimiento, estos se dividen en mantenimiento de los equipos y mantenimiento preventivo con el objetivo de disminuir el riesgo de futuras averías. Podemos diferenciar dos grupos distintos, la caldera y los elementos mecánicos. En los elementos mecánicos como turbinas, bombas y transformadores los principales puntos a vigilar son el análisis de vibraciones y la lubricación. La vibración es el movimiento de una maquina o parte de una maquina en relación a un sistema de referencia considerado fijo y se puede determinar por su frecuencia y amplitud. Estos fallos pueden detectarse por la aparición de holguras y roces, excentricidad, desequilibrio, piezas en mal estado como rodamientos o cojinetes… En cuanto a la lubricación pueden encontrarse cuatro tipos diferentes: Fricción hidrodinámica, fricción semiseca, fricción seca y fricción de rodadura… El lubricante no solo crea una película entre elementos metálicos para evitar su contacto y desgaste, sino que también se encarga de refrigerar, arrastrar las partículas metálicas y reducir el consumo energético. La principal consecuencia de una mala lubricación es el desgaste de las piezas con el consiguiente peligro para el funcionamiento de la máquina, siendo las principales causas de avería por mala lubricación la ausencia de aceite, degradación del aceite, cantidad inadecuada de lubricante, condición mecánica de la máquina y la utilización de un lubricante incorrecto. Para cualquiera de los equipos mencionados el mantenimiento preventivo relacionado con la lubricación puede diferenciarse entre diario e intervalo fijo. Diariamente se controlan los niveles de aceite, principales parámetros operativos y búsqueda de ruidos y fugas. Los mantenimientos con intervalos fijos suelen programarse por tiempo transcurrido o por horas de funcionamiento de los sistemas, se lleva a cabo la inspección del aceite y en el caso de que lo necesite reposición o sustitución (mínimo una vez al año se sustituye), unido a esto se limpiara el filtro de aceite y en caso de estar en malas condiciones se sustituye. Se procede a la limpieza de todos los circuitos referidos al sistema de lubricación, así como a la búsqueda de posibles fugas. En el caso de la turbina, además de lo ya mencionado anualmente se llevará a cabo una revisión en la que se realizaran pruebas de potencia y rendimiento, termografía del grupo turbina-alternador, inspección de álabes, válvulas de regulación, sistema hidráulico y sellos laberinticos y comprobación de la alineación del grupo turbina-reductor-alternador. Se analizará también el espectro de vibraciones de este último a diferentes velocidades. Durante el arranque de las bombas habrá que controlar que este llena de producto, comprobar que las válvulas de refrigeración estén abiertas y en caso de utilizar productos calientes precalentar para evitar choques térmicos. Una vez puesta en marcha evitar operar en puntos de caudal máximo o mínimo, vigilar los niveles de aceite y regular las temperaturas. El otro grupo de elementos está formado por la caldera, dispositivo que tiene que soportar grandes presiones y temperaturas, siendo vital para que la planta opere en los valores establecidos. Por un lado, diariamente se vigilarán los parámetros principales como temperaturas, presiones y niveles, búsqueda de fugas de vapor o agua, inspección visual de la instrumentación y control químico del agua de alimentación. Mensualmente se realizará el engrase de los elementos mecánicos de la instalación, así como el análisis del mapa de vibraciones. Paralelamente se lleva a cabo el mantenimiento preventivo en el que a diario se vigila el equipo de tratamiento de agua, la temperatura de los gases en la chimenea, purgas de lodos y sales. Mas o menos semanalmente se comprueban los termómetros, termostatos, manómetros y presostatos, limpieza de los elementos del quemador, apertura y cierre de todas las válvulas manuales y comprobación de la estanqueidad de la puerta de acceso a la caldera. Cada mes se realiza una prueba de paro normal y otra empleando el interruptor de emergencia, verificación de toda la aparamenta eléctrica y análisis de gases y ajuste de la combustión. • Ingeniería básica, gestión de compra, montaje mecánico, montaje eléctrico y puesta en marcha 14. Bibliografía [1] International olive council (diciembre 2019). Outcome of the 110th sesión, nº144 [2] Oro del desierto (2019). Aceite de oliva en el mundo, países productores y características diferenciadoras por país. [3] Centrales termoeléctricas (2020). Master universitario en Ingeniería Industrial [4] Energías alternativas (2018). Grado en tecnología en Ingeniería Industrial [5] TDC olive (2006). Tecnología de la elaboración de aceite de oliva y aceitunas de mesa [6] ESCAN, S.A. (2008). Biomasa: industria Anexo I Ilustración 33 Propiedades termodinámicas En la grafica anterior se pueden observar todos los datos de temperatura, presión, entalpia, entropía y caudal masico de cada estado del proceso.