Tipos de caldera

Para que tenga lugar la combustión es necesario disponer de un sistema adecuado para ello, denominado caldera, el cual debe proporcionar unas condiciones adecuadas al combustible para que se oxide y que también debe permitir aprovechar la energía térmica liberada.

Existen muchos tipos de calderas para biomasa disponibles comercialmente, que sólo difieren en el diseño de las cámaras de combustión, temperatura de operación y mecanismos de transmisión de calor. Sin embargo, se puede hacer una clasificación en dos grandes grupos, las calderas convencionales (o de parrillas) y las de lecho fluidizado.

Las calderas convencionales o de parrillas tienen un diseño muy similar a las utilizadas en la combustión de carbón, aunque se diferencian principalmente de éstas en el sistema de alimentación de combustible ya que la biomasa presenta mayores problemas de almacenamiento y automatización de carga.

El principio de funcionamiento se basa en el avance del combustible sobre un elemento denominado parrilla que sostiene al combustible, insuflándose a través de él el aire necesario para la combustión. Según avanza la biomasa se va completando su combustión, pasando por las tres etapas antes mencionadas, de forma que a la salida, el contenido de inquemados es bajo y los residuos son prácticamente todo cenizas.

Sistema de alimentación:

o Sistemas por gravedad: se trata de un método muy rudimentario y que ocasiona graves problemas por atascos y escasa uniformidad en la dosificación. Para evitar esto, se implementan con dosificadores de tipo sinfín o scrappers de velocidad regulable, que permiten homogeneizar el flujo másico y controlar los caudales alimentados.

o Sistemas de lanzadera: la alimentación se realiza por cargas, almacenando previamente la biomasa en un receptáculo que posteriormente es accionado mecánicamente impulsando el combustible hasta el interior del hogar de combustión.

o Sistemas de inyección: especialmente concebido para la combustión de serrines y polvo, en este sistema se genera un flujo de aire a presión que arrastra el combustible al interior del hogar produciéndose una combustión prácticamente completa con el mismo aire impulsor.

Tipo de parrilla:

o Parrilla fija: en la que se deposita el combustible sin ningún tipo de movimiento.

o Parrilla móvil: en la que la biomasa se va moviendo al tiempo que arde.

Del tipo de hogar:

o Acuotubulares: en los que la transmisión de calor se realiza a través de la cesión de energía a unos conductos que envuelven la caldera y por los que circula agua.

o Pirotubulares: en los que la transmisión de calor se realiza mediante la circulación de los gases de combustión por unos conductos que atraviesan un receptáculo en el que hay agua.

o De aceite térmico: prácticamente iguales que las acuotubulares, aunque se diferencian de éstas en que se utiliza un aceite térmico en lugar de agua.

Figura 10. Caldera pirotubular de parrilla móvil

Por otro lado, en las calderas de lecho fluidizado la combustión de la biomasa se desarrolla en el seno de una masa de suspensión de: partículas de combustible, cenizas y un inerte. Esta masa denominada lecho es fluidizada por una corriente ascensorial de aire de combustión.

Cuando la velocidad del aire es baja, éste pasará a través de la masa de partículas sin dar lugar a ninguna distorsión en las mismas, como se esquematiza en el caso A de la figura 11. Si se aumenta la velocidad del aire, llegará un momento en que su fuerza impulsora será próxima a la fuerza de la gravedad que mantiene juntas a las partículas en el fondo del hogar, momento en el que comienzan éstas a moverse y se observa un aumento de la porosidad en el lecho. Al aumentar aún más la velocidad del aire, llega un momento en el que las partículas individuales se ven forzadas a un movimiento hacia arriba, viéndose suspendida en la corriente de aire y originando el denominado "lecho suspendido", como se esquematiza en el caso B de la figura 11. Finalmente, un mayor aumento de la velocidad del aire originará una expansión del lecho, y permitirá el movimiento de las partículas en su interior, dando lugar a la fluidización, como se esquematiza en el caso C de la figura 11.

Figura 11. Tipos de lecho en función de la velocidad de insuflado

Existen dos clasificaciones de los sistemas de lecho fluido:

Según la velocidad de la fluidificación:

o Sistema burbujeante: en el que la velocidad del aire insuflado hace que las partículas del lecho se muevan pero sin llegar a salir del hogar.

o Sistema circulante: en el que la velocidad del aire insuflado hace que el lecho salga del hogar, por lo que tiene que ser recirculado a éste mediante un ciclón.

En cuanto a la presión en el hogar:

o A presión atmosférica: en el que la presión del hogar es la misma que la atmosférica.

o A presión: en el que el hogar está sometido a una presión entre 5 y 20 atm.

Finalmente, cabe decir que solamente entre un 2% y un 3% del lecho es carbonoso; el resto está compuesto de material inerte (arena). Este material inerte proporciona un gran almacén de calor en el hogar, amortiguando el efecto de las posibles fluctuaciones en el poder calorífico del combustible, debidas a las variaciones de humedad o composición del combustible, lo que supone una gran ventaja de este sistema en la combustión de biomasa frente al sistema de parrillas.