Estudios de alternativas de valorización energética para el aprovechamiento de residuos agrícolas procedentes de la agricultura intensiva bajo plásticoAplicación en una planta de producción de clínker

Resumen

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.