Programa Procesos de fábrica Noviembre 11 de 2015 El uso del RAC como fuente de energía renovable Ruta termoquímica 1: Combustión en Calderas Programa Procesos de fábrica Noviembre 11 de 2015

INTRODUCCIÓN El RAC como materia prima La caña como fuente de energía Componentes del RAC de caña Información disponible y en proceso de verificación / actualización Aportes a la cogeneración Disponibilidad de residuos de cosecha Bagazo como fuente de energía Modelamiento de calderas Exploración en densificación y otros procesos termoquímicos Cálculo de emisiones de GEI Rutas actuales y Upgrading del RAC- Temas de Investigación Ruta del enfardado / limpieza / reducción de tamaño Briqueteado Upgrading del RAC

Caña de azúcar = fuente de energía Recuperación (ingenio) Energía del sol + CO2 Etanol Azúcares Fermentación, destilación Vapor Combustión (Calderas) Energía eléctrica Caña de azúcar Fibra (Bagazo) Papel (materia prima) Mejoramiento suelos Agua Biochar Pirólisis, Gasificación RAC (residuos) Bioaceites Hidrólisis Biogas Etanol 2G

Partes de la caña de azúcar Una parte importante de la fibra total producida por la caña de azúcar puede ser aprovechable como recurso energético renovable. Las proporciones aproximadas (del total, Base Húmeda) son: 1/3 como bagazo (material restante del proceso de molienda en la fábrica). 2/3 como Residuos Agrícolas de Cosecha, RAC (su disponibilidad depende del tipo de cosecha empleado y de la decisión de cuanto dejar en el campo).

Caracterización de propiedades de la biomasa cañera Se tienen las relaciones RAC/Tallos molinables. Atributos del RAC y Bagazo. Poder calorífico. Contenido de cenizas. Análisis Elemental y Próximo. Composición media (Celulosa, Hemicelulosa,Lignina). Fusibilidad de cenizas. Se trabaja en la verificación y actualización de las cifras ante nuevos escenarios varietales y prácticas de cosecha.

Riesgos del RAC en combustión directa… La presencia de potasio, calcio, sodio, aluminio, fósforo, cloro y azufre pueden causar serios problemas en el lado gas de las calderas. El punto de fusión para la ceniza del RAC es aproximadamente 100oC menor que para la ceniza del bagazo. Tortosa-Masiá et al. (2005), definen escoria (slagging) como depósitos en áreas de la caldera que están directamente expuestas à radiación de la llama. La incrustación (fouling) son depósitos en áreas en la caldera que no están directamente expuestas. Como efecto indeseable, tanto de la escoria como de la incrustación, se presenta reducción de la transferencia de calor entre los gases de combustión y el vapor de agua circulante en los bancos de tubos.

Actividades Programa de Procesos de Fábrica

RAC y el proceso sucro-energético El efecto de la cosecha en la cantidad, tipo y resultados logísticos es importante en un proyecto de beneficio del RAC. Los procesos de recuperación de Azúcar y la cogeneración tienen influencia en la ruta a adoptar para el manejo del RAC. Las rutas que se consideran son: Transporte de RAC de cosecha mecánica con la caña. Enfardado de RAC de cosecha mecánica y transporte a la fábrica.

Antecedentes: Cosecha y materia extraña Cosecha de 12 Ingenios correspondiente al 2014: Más del 50% de la caña fue cosechada en verde. El 47% se realizó con corte mecanizado respecto a un 39% en 2013. Calidad de caña = Sacarosa / Fibra industrial + 1% fibra industrial  - 0.07 calidad de caña - 0.07 calidad de caña  - 1.07% sacarosa

Cálculo aproximado de la cantidad de RAC para aprovechamiento en procesos de producción energética (Cenicaña, 2012) Estimación de la cantidad total de RAC disponible en la región del valle geográfico del río Cauca en el año 2010 Se trabaja en la actualización de las cifras con el nuevo inventario de variedades. Proyecto Innpulsa- CCC-UNAL(Palmira). Apoyo de Cenicaña

Recolección de RAC de cosecha manual en verde Estimación de los costos del manejo de los residuos de cosecha de la caña de azúcar para uso como combustible de calderas (Cenicaña, 2005) Cenicaña desarrolló un cabezote de alimentación para una máquina picadora de forraje tipo CLAAS, y se transportó hasta la fábrica sin densificación. Se logró combustión de mezcla de residuo y bagazo (20%-80%), con humedad menor del 54%, para el residuo. Se desarrolló una aplicación (PARCA) para estimar los costos del manejo del residuo (5.3 a 6.6 USD$/t). El 80% corresponde a gastos de picado y transporte.

Cómo recolectar los residuos de cosecha (RAC): Experiencias en pruebas de cosecha simultánea de RAC y Caña (2012) Pruebas Realizadas en Cosecha: Ingenio A: Frente Contratista Ingenio B: Frente Propio CC 85-92 CC 93-4418 15 meses 13.8 meses Ventilador secundario Ventilador Principal Nivel bajo (E1): Ventiladores prendidos Nivel medio (E2a): Ventilador primario a baja velocidad y secundario prendido Nivel medio (E2b): Ventilador primario encendido y secundario apagado Nivel alto (E3): Ventiladores apagados Se evaluaron tres niveles de materia extraña en caña Resultados en Materia Extraña Para porcentajes de materia extraña superiores a 20% (E3), se disminuye en 40% la tasa de molienda si no se separa la materia extraña de la caña. El nivel medio (E2) se presenta como una alternativa atractiva de aumento de combustible disponible (Aumento materia extraña) sin implementación de estaciones de limpieza en seco. Se desarrolló aplicación para cálculos del proceso.

RAC COMO MATERIA EXTRAÑA (ME) LLEVADA A LA FÁBRICA 2014 Total caña molida: 24,283,380 t/año Modalidad de Cosecha ME a la Fábrica % de Participación Total caña (t/año) Total ME (t/año) Mecánica Verde 9.9 36.5 8,863,434 877,480 Mecánica Quemada 8.9 6.4 1,554,136 138,318 Manual Verde 7.3 14.1 3,423,957 249,949 Manual Quemada 3.0 43 10,441,853 313,256 TOTAL: 1,579,003 Ratio Caldera: 1.5 Vapor/ME Steam rate Turbogenerador: 11 lb vapor/kW Energía Eléctrica generada: 237,281 MW-h/año ME colectado: 1579003 t/año

Resultados del Modelamiento CFD de la limpieza en seco (2014) 60° 90° 120° Contenido materia extraña 9% 14% Ángulo entrada 60° 90° 120° Flujo de aire (kg/s) 39.80 36.40 42.14 kg aire / kg me(entrando) 5.00 4.58 5.30 3.22 2.94 3.41 Materia separada (t/h) 0.21 17.22 12.37 0.00 19.90 14.47 kg aire / kg me(separada) 688.83 7.61 12.26 46672.63 6.58 10.49 La opción a 90° presenta el mejor comportamiento para la separación de partículas. Incremento en la materia extraña favorece el indicador de kg aire / kg materia extraña separada

Cogeneración en un ingenio sucro-energético La cogeneración es una técnica de producción combinada de energía eléctrica y energía térmica la cual hace parte integrante de la actividad productiva. Esta es una forma más eficiente de producción de energía eléctrica, debido al mayor aprovechamiento que se hace del calor proveniente de la corriente de energía térmica. EE: Producción total anual bruta de energía eléctrica en el proceso. EP: Energía primaria del combustible consumida anualmente por el proceso. CU: Producción total anual de calor útil del proceso. ηREF: Eficiencia de referencia para la producción de calor útil. (0.9 establecido por la CREG para cualquier tipo de combustible)

El Bagazo Bagazo es el residuo del proceso de molienda, constituido básicamente por la fibra vegetal contenida en la caña. Este es empleado como combustible en las calderas de los ingenios, principalmente. El Poder calorífico depende de la composición elemental (contenido de carbono, hidrógeno, oxígeno, sacarosa (S)), del contenido de cenizas (Z) y de la humedad (W).

Tecnología en Cogeneración El sector sucro-energético colombiano ha ido creciendo gradualmente, contando a 2015 con una capacidad instalada de 260 MW y con proyecciones de alcanzar 360 MW a 2017. El sector ha optado por: Adquisición de calderas de alta presión Turbogeneradores a extracción - condensación Confiabilidad y robustez de las calderas Disminución del contenido de humedad del combustible. Disminución del contenido de O2 en los gases de combustión. Disminución de la temperatura de gases de combustión. Inherentes a: La condición de cantidad y distribución del aire empleado en la combustión

Modelamiento de perfiles de velocidad y temperatura en una caldera, en CFD Interacción Ingenio – Fabricante - Cenicaña, durante diseño y aceptación de la caldera. Principales Objetivos Diagnosticar puntos críticos de desempeño Explorar posibles rediseños que permitan establecer sistemas eficientes de intercambio de calor y aumentar la vida operativa de los bancos de tubos y ductos. Capacidad: 300 Klbs/h Presión: 950 psi Temperatura: 510 °C Capacidad de cogeneración: 27 MW Inversión: U$ 30.000.000 Año de entrada en operación: 2014

Resultados de Perfiles de Flujo Flujo canalizado Ductos con baffles: Aplicación del aire secundario, favoreciendo el proceso de combustión. En el escenario 2 se disminuyen las recirculaciones en los sobrecalentadores, disminuyendo el proceso de desgaste. La instalación de bafles contribuye a reducir la velocidad y la distribución de gases a la entrada del economizador distribuyendo homogéneamente los gases.

CALDERA: Implementación del modelo en CFD Fotografía de la caldera en proceso de arranque (Mayo-2014). Se evaluaron los resultados obtenidos en los modelos una vez entró en operación estable.

Modelamiento de la combustión en el sector azucarero Composición de gases de combustión modelos Distribución de aire Fracción másico O2 Fracción másica CO2 Fracción másica de H2O Fracción másica N2 Escenario A: 75% Bajo Parrilla, 25% Secundario, 5% Neumático 9.22% 15.28% 6.56% 67.81% Escenario B: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=0 , β=0) 5.69% 17.00% 9.65% 67.65% Escenario C: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=30 , β=30) 11.43% 11.25% 6.33% 70.99% Escenario D: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=20 , β=30) 7.38% 15.40% 8.64% 68.50% Composición con combustión Completa 4.17% 18.09% 17.83% 59.85% Mejor desempeño de la combustión en escenarios B y D Menor oxigeno residual (5,6% y 7,38%) Mayor contenido de dióxido de carbón (17% y 15,4%) Mayor aprovechamiento de la energía disponible en el combustible

Modelamiento de la combustión en el sector azucarero Perfiles de velocidad en escenarios A (izquierda) y D (derecha). Perfiles de CO2 en escenarios A (izquierda) y D (derecha).

Modelamiento de la combustión en el sector azucarero Estudiar el comportamiento de los combustibles (Bagazo, RAC y carbón), en la combustión. Estudiar los efectos de las características de los combustibles en aspectos como: Deposición de cenizas. Desgaste erosivo. Perfiles de temperatura.

Análisis de la distribución y temperatura del aire en el circuito de ductos a través de la caldera Se modeló (CFD) la pérdida de presión en el ducto de entrada de aire de una caldera, encontrado flujos preferenciales en la entrada a la parrilla. Se propuso alternativas de corrección del perfil de velocidad: Emplear «bafles» para conducir el flujo. Modificar distribución del aire antes de entrar a la parrilla Se determinó la caída de presión en el ducto de aire. El ingenio requirió instalar un ventilador de mayor potencia (250 a 400 HP) a fin de evitar eventos de sobrecalentamiento de parrilla. Ingenio A Ingenio B Ingenio piloto antes Ingenio piloto ahora Cap. Caldera (Klb/h) 380,000 363,660 Pot. Instalada (kW) 180 360 250 400 Bagazo 90% 85% 70% Carbón 10% 15% 30% Indicador (kW/t aire) 1.13 1.51 1.53 2.44

Pruebas experimentales en pre-tratamiento de biomasa: Picado y Briqueteado (2010) Material de entrada Picado de biomasa (RAC): Equipo experimental alimentando a 445 RPM Consumo específico de 43.3 Kwh/t caña Tamaños obtenidos menores a 6.5 mm (70%) Peletizado de biomasa (RAC): Densidad de 800 – 900 Kg/m3 Condiciones no estandarizadas Material de salida

Procesos termoquímicos Los procesos termoquímicos de conversión de biomasa en energía se definen como aquellos en los cuales se encuentran implicadas reacciones químicas irreversibles, a altas temperaturas y en condiciones variables de oxidación. La pirólisis se define como un proceso de degradación o fragmentación de la biomasa en componentes sólida, líquida y gaseosa, mediante la adición de calor en ausencia de oxígeno. La gasificación, orientada como caso particular a generar gases combustibles para uso en calderas. Prototipos para Pirolisis y Gasificación-

Caracterización de emisiones en la producción de caña Identificación de procesos principales de emisión: Uso de combustibles fósiles para labores agrícolas. Producción de úrea a partir de amoniaco. Emisiones de N2O de suelo debido a aplicación de fertilizantes. Cálculo, mediante simulación en Simapro, de las emisiones de GEI en la producción de azúcar y etanol en Colombia. Estimado de emisiones de GEI para 2012 por tonelada de caña – Producción de caña

Caracterización de emisiones por proceso en la producción de azúcar y etanol Emisión neta de fábrica: -0.48 kg CO2e/ton Estimado de emisiones de GEI para 2012 por tonelada de caña Producción de azúcar y etanol

Producción de azúcar y etanol Escenario de bagazo hacia papel Combustión de Carbón Producción de Energía Planta de Cogeneración 𝟏𝟗,𝟒 𝟔,𝟕 En la caldera se quema 4% de carbón obtenido a partir del intercambio de bagazo con una planta de producción de papel a partir de bagazo. La simulación no tiene en cuenta las emisiones que se podrían evitar por el uso de bagazo en la producción de papel. Es evidente la justificación en investigar en la sustitución del carbón Panel Intergubernamental para el Cambio Climático

Temática Investigativa: Rutas actuales y Upgrading del RAC

Algunos planteamientos….(Brasil) Un problema a considerar son las diferentes propiedades del RAC, con humedad típica de 15%, y del Bagazo con 50% aprox. que dificulta la mezcla y genera comportamiento aerodinámico diferenciado. Roberto (2006), plantea que el uso de RAC sin problemas en calderas se limita al 10% del total producido en campo. CTC (2000), recomienda dejar en campo entre 33% a 50% del RAC producido para conservar el efecto herbicida, fijar carbono en el suelo, garantizar reciclaje de nutrientes, conservar humedad etc. CTC (2010), plantea que la recuperación de 50% del RAC disponible en el campo representa un incremento del 70% en la electricidad excedentaria.

Temas a abordar en investigación…. Densificación de biomasa para uso energético. Captura del RAC- Efectos Logísticos-Efectos en el campo Preparación del RAC (Limpieza/Reducción de tamaño) Briqueteado Comportamiento del RAC en combustión en calderas. Modelamiento y simulación Evaluaciones Experimentales Upgrading del RAC para quema en proporciones mayores a las actualmente consideradas seguras Rutas para Upgrading Lavado Torrefacción/lavado Lavado ácido (acético) Uso de aditivos

Grupos de cooperación Interacción con: Investigadores y técnicos internacionales Centros de investigación Universidades y grupos de investigación Proveedores de bienes y servicios Participación y publicación de resultados en eventos nacionales e internacionales (Congresos y Workshops)

¡ Gracias por su atención !