Resumen de Estudios de alternativas de valorización energética para el aprovechamiento de residuos agrícolas procedentes de la agricultura intensiva bajo plástico: Aplicación en una planta de producción de clínker
- español
En la actualidad existe una gran preocupación social por la creciente acumulación de residuos agrícolas procedentes del cultivo en invernadero, especialmente en aquellas zonas donde se concentra una actividad agrícola intensiva. La inadecuada gestión de los mismos hace que se generen problemas medioambientales ante la incapacidad de aprovechar o reutilizar gran parte del volumen de residuos producidos, con los métodos de valorización tradicionales (compostaje, alimentación animal y depósito en vertederos). Esto obliga a la búsqueda de nuevas soluciones capaces de lograr el uso adecuado y sostenible de dichos residuos. La heterogeneidad que los caracteriza, y la estacionalidad asociada a su producción, dificultan estas tareas, al mismo tiempo que suponen un reto para el desarrollo de soluciones encaminadas a su aprovechamiento energético.
En esta tesis doctoral se realiza un estudio de caracterización y capacidad de uso de los residuos agrícolas de invernadero como fuente de energía térmica para su aprovechamiento en la industria, analizando la calidad asociada a los combustibles derivados de la transformación de los residuos; y evaluando el beneficio vinculado al uso de éstos en una planta de producción de clínker de cemento.
En primer lugar, se ha realizado una caracterización de los residuos agrícolas de invernadero, para evaluar el potencial energético asociado a los mismos. En particular, se han analizado los residuos generados en el poniente almeriense (en torno a 2 millones t/año), extrapolando los resultados obtenidos al ámbito nacional. Para ello, se ha desarrollado una metodología de evaluación partiendo del estudio, a lo largo de un año, de muestras de residuos facilitadas por una planta de tratamiento de residuos situada en la zona. Fruto de este análisis, se concluye la necesidad de someter a los residuos a un pretratamiento que permita acondicionarlos y/o transformarlos previo a su aprovechamiento como fuente de energía.
En segundo lugar, y para cubrir las necesidades anteriores, se han evaluado tres alternativas para convertir los residuos agrícolas de invernadero, en un combustible adecuado para ser aprovechado en la industria del cemento: combustión, gasificación térmica y digestión anaerobia. Con ello se busca obtener un combustible de mejores características químicas y/o energéticas, que el residuo bruto original.
El análisis de la combustión de los residuos se ha realizado de forma experimental, mediante la evaluación de un conjunto de operaciones de pretratamiento enfocadas a minimizar el contenido de cloro del residuo, junto a la humedad asociada al mismo. Resultado de este estudio, se establece un sistema de acondicionamiento capaz de reducir el contenido de cloro hasta en un 50% de su valor original, y aumentar el poder calorífico hasta en un 8%.
La gasificación térmica se ha evaluado a través de una serie de pruebas realizadas en un gasificador piloto, y mediante el empleo de un modelo de simulación adaptado a las características de los residuos a evaluar. Por un lado, las pruebas de laboratorio muestran que la gasificación de los residuos agrícolas puede generar un gas de buena calidad (poder calorífico inferior superior a 5 MJ/Nm3), comparable al obtenido de la gasificación del orujillo, pero de difícil procesado debido a la cantidad de cenizas que lo acompañan; y, por otro lado, el modelo de simulación define que, para la obtención a escala industrial de un gas de máxima calidad, el equipo debe operar a 852 ºC con una relación aire/aire estequiométrico próxima a 0,39.
La digestión de los residuos se ha analizado haciendo uso de modelos teóricos obtenidos de literatura. El uso de esta alternativa de conversión proporciona un gas combustible con un potencial de generación de metano de 0,56 Nm3 de CH4 por kg de residuo alimentado, y un poder calorífico inferior de 17,2 MJ/Nm3 (superior al obtenido del alperujo, lodos de depuradora o purín). Se estima que la co-digestión de este residuo con los procedentes de la industria cárnica en una proporción 90 -10, permite incrementar hasta en un 22% la calidad energética del biogás generado, llegándose a alcanzar un gas combustible con un poder calorífico inferior próximo a 21 MJ/Nm3, y un contenido de cloro menor a 5,0 mg/Nm3.
Finalmente, se ha analizado la viabilidad técnico – económica de la valorización de estos combustibles en una planta de producción de clínker. Para ello, se ha planteado la incorporación al proceso de la máxima cantidad de combustible alternativo autorizada, y se ha analizado el impacto que sobre la operación supone dicha incorporación. Para llevar a cabo esto último, se ha desarrollado una herramienta de análisis basada en un modelo de árbol de decisión, a partir de la cual ha sido posible conocer de forma predictiva, los riesgos experimentados por la planta frente a la aparición de problemas operativos (aparición de incrustaciones, pegaduras o bloqueos del sistema),relacionados con la sustitución de una cierta cantidad de combustible fósil, por cada uno de los combustibles generados de las alternativas analizadas.
Para la instalación objeto de estudio, la entrada de 65.000 t/año de combustible derivado de los residuos agrícolas de invernadero, supone la sustitución de hasta el 51% de la energía térmica proporcionada por el coque de petróleo, y un ahorro en este combustible de hasta 2,9 €/t clínker producido (2,1 millones €/año). El uso de la herramienta de análisis predice que la entrada de dicha cantidad mejora la operación de la planta respecto de su situación inicial, disminuyendo la frecuencia de la aparición de incrustaciones o la generación de bloqueos del sistema. No obstante, se predice un enriquecimiento en cloro de la instalación, por lo que se aconseja disponer de un bypass en la zona de mayor concentración de gas en este compuesto, para controlar el inventario de cloro circulante.
Adicionalmente, la incorporación de un nuevo combustible puede afectar al consumo térmico específico de la instalación (GJ/ t clínker). Esta influencia ha sido cuantificada a partir de la confección de un modelo de regresión lineal multivariable, sobre el cual se han identificado las variables de operación de mayor influencia sobre dicho indicador. La entrada de 65.000 t/año de estos nuevos combustibles puede conllevar un aumento del consumo específico de energía de hasta un 15% respecto del caracterizado inicialmente en la planta.
Aunque el coste relacionado con la obtención de combustibles a partir de la conversión de residuos agrícolas de invernadero, debe ser valorado y considerado para seleccionar la mejor alternativa para el aprovechamiento de estos residuos, el presente trabajo pone de manifiesto que, ante el problema asociado a la acumulación de los residuos, existe una solución viable, que beneficia al medio ambiente y proporciona un valor añadido real a los mismos. El aprovechamiento de estos residuos como combustible alternativo en una planta de cemento, no solo lleva asociado un beneficio económico considerable para este tipo de plantas, sino que también puede mejorar su funcionamiento y evitar así las pérdidas de producción asociadas la aparición de incrustaciones, pegaduras o bloqueos del sistema.
- English
Nowadays, there is a great social concern regarding the growing accumulation of the wastes derived from intensive greenhouse agriculture in the environment, particularly in those areas where an intensive agricultural activity is concentrated. The inadequate management of these wastes causes the generation of unmanageable environmental problems using the traditional methods of recovery such as composting, animal feed or landfill. In this framework, it is crucial to encourage the search for innovative solutions that might be able to achieve an adequate and sustainable use of these residues. The heterogeneity of the wastes and the seasonality associated with their production make difficult the progress of these activities and discourage the development of solutions towards its use to the energy recovery.
This dissertation aims at promoting the use of wastes derived from intensive agriculture of greenhouse as a source of thermal energy to be used in the industry, emphasising the quality of the fuels derived from the processing of this type of waste. In addition, this work evaluates the benefits of the use of these wastes in a clinker production plant.
Firstly, the characterization of wastes derived from intensive agriculture of greenhouse were done in order to evaluate the potential energy associated with their recovery. In particular, it was analysed the wastes generated in the region of Almería (Spain), where around 2 million of tonnes of this kind of wastes per year are produced. The results obtained from the above-mentioned waste characterization were extrapolated to the national level. In this sense, an evaluation methodology was developed to analyse the data provided by a waste treatment plant located at the same region. Different samples of wastes were characterized in the laboratory facilities. The results extracted from these analyses highlighted the need of a waste pre-treatment before its use as a source of thermal energy for the industry.
Secondly, three conversion alternatives were assessed to transform the greenhouse wastes in suitable fuels to be used in a clinker production plant, covering the needs indicated above. Among all the available options, three different alternatives were studied to improve the chemical and the energy properties from the original gross wastes. These technologies are named the direct combustion, the thermal gasification and the anaerobic digestion technology.
The analysis of the co-combustion process of wastes derived from intensive agriculture of greenhouse was carried out at laboratory scale. To meet this target, a portfolio of pre-treatment operations was evaluated in order to reduce both the chlorine and the moisture content. These results allow to establish an optimal pre-treatment system to reduce the chlorine content up to 50% and to increase the lower calorific value up to 8% compared with its original value.
The thermal gasification technology was assessed through a series of laboratory tests carried out in a pilot gasifier combined with a simulation model based on the characteristics of these particular wastes. On the one hand, the laboratory tests showed that the gasification of greenhouse wastes might generate a high-quality gaseous product - lower calorific value more than 5 MJ per Nm3 of syngas- that can be compared with the retrieved from the orujillo gasification. However, waste processing is difficult due to the amount of ash content. On the other hand, the simulation model allows to establish that the industrial gasifier should be operated at 852 °C and a ratio air per stoichiometric air next to 0.39 to ensure the best quality of the fuel gas to industrial scale, The anaerobic digestion of the greenhouse wastes was analysed using theoretical models reported from the literature. The use of this conversion technology provides a fuel gas with a methane potential of 0.56 Nm3 of methane per kilogram of wastes supplied, and a lower calorific value of 17.2 MJ per Nm3 of biogas. The energy content of the biogas generated is higher than those obtained from other conventional residues such as alperujo, sludge from sewage or slurry. The co-digestion of a blend formed by 90% of greenhouse wastes combined with 10% of the meat industry residues allows to increase up to 22%the quality of the biogas produced. The energy associated to this fuel gas might achieve a lower calorific value close to 21 MJ per Nm3 of biogas with a chlorine content less than 5.0 mg per Nm3 of biogas.
Finally, the technical and economic feasibility of the energy recovery of each waste derived fuel generated was evaluated in a clinker production plant located at Almería (Spain). To do this, it was considered the addition of the maximum amount of alternative fuel authorized into the process instead of part of the fossil fuel currently used. The impact of the alternative fuel added into the process was also evaluated on the operation of the clinker production plant. For this purpose, an analysis tools based on a Decision Tree Model was developed. This tool allows to predict the risks associated to the use of each fuel generated in terms of operational issues such as incrustation problems and frequent blockages. In addition, the analysis tool evaluated the interest the substitution of a certain amount of fossil fuel by these new fuels.
In this case, the input of 65,000 tonnes per year of alternative fuel derived from waste might achieve the substitution of up to 51% of the thermal energy provided by petroleum coke. This recovery energy provides both savings of up to 2.9 € per tonne of clinker produced that represents 2.1 M€ per year. The analysis tool predicts that this addition improves the current operation and decreases both the frequency of the appearance of incrustation and the generation of system blockages. However, an enrichment of chlorine content in the process is also highly probably. For this reason, it is recommended the installation of a bypass located at the highest concentration of chlorine in the gas likely might be found.
In addition, the incorporation of a new fuel should affect the specific thermal energy consumption of the process, expressed in GJ per tonne of clinker produced. The influence of the novel fuel addition was determined using a Multivariate Linear Regression Model, which allows to identify the most relevant operational parameters on the specific thermal energy consumption. The input of 65,000 tonnes per year of each fuel derived from waste could increase the specific energy consumption up to 15% compared with the current indicator value. For this reason, it is recommended to carry out the monitoring and control of the flame during the incorporation of these new fuels to the clinker kiln. Although the cost associated with the different conversion technologies evaluated in this work should be analysed more carefully, the results obtained in this dissertation show that there is a sustainable and friendly solution for minimizing the environmental impact associated to the accumulation of wastes from intensive agriculture of greenhouse. Moreover, this solution could provide an added value non-existent so far on this kind of waste. The use of these wastes as an alternative fuel for a cement plant should report an important economic benefit for the cement industry and substantially improve the operation performance of the cement plant production in terms of a reduction of the production losses derived from the increase of incrustation or system blockages.
