BIOMASA

DESCRIPCIÓN

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de los quemadores de biomasa, y más concretamente en los quemadores de biomasa de llama horizontal y las parrillas de quemado para dichos quemadores.

Antecedentes de la invención

Tradicionalmente, el gasóleo, gas y otros derivados del petróleo han sido combustibles habitualmente utilizados para la generación de aire caliente en distintas aplicaciones industriales. El uso de electricidad está igualmente extendido en dicho ámbito. En algunos hornos industriales, como los hornos utilizados en panaderías para cocción de pan y derivados, se utiliza como material combustible, en ocasiones, leña de distinto origen y características. El uso de biomasa, como pellets, hueso, cáscara de frutos y similares para la sustitución de los sistemas de combustión de los hornos por quemadores de biomasa permite obtener unos ahorros energéticos importantes, por lo que es creciente la sustitución de los quemadores tradicionales por quemadores de biomasa.

El incremento en el precio de combustibles como el gas natural, el gasóleo o la electricidad, unido al impacto ambiental asociado a su producción y combustión, está llevando a la sustitución, en distintas aplicaciones, de este tipo de sistemas por calderas de biomasa. Entre las aplicaciones principales de los quemadores de biomasa están las calderas, los hornos de panadería o de cualquier tipo y, en general, cualquier máquina de generación de calor susceptible de modificar su sistema de combustión, lo que abre grandes posibilidades de desarrollo en este campo. De hecho, los quemadores de biomasa pueden utilizarse en aplicaciones domésticas, de granjas, invernaderos, comunidades de vecinos, sistemas centralizados de barrio, edificios públicos, secadores de madera, climatización de piscinas, pintura, industrias, hornos de pan, de cerámica, etc. En general, es un sistema válido para la gran mayoría de aplicaciones de aire o agua caliente. Los quemadores de biomasa pueden funcionar igualmente con calderas de vapor y/o de aceite térmico. En procesos de muy altas temperaturas se pueden utilizar para el precalentamiento, con el consiguiente ahorro energético en esa parte del proceso productivo. Junto con lo descrito anteriormente, una de las ventajas principales de la combustión de biomasa es que el balance de emisiones de C0 ₂ es neutro. Es decir, la combustión de la biomasa libera a la atmósfera la misma cantidad de dióxido de carbono que absorbe en su crecimiento la planta, todo lo contrario de lo que ocurre con los combustibles fósiles, que aportan a la atmósfera un exceso del mismo. De este modo, la contribución de la biomasa al efecto invernadero es nula.

Sin embargo, la mayor parte de los quemadores de biomasa de llama horizontal existentes actualmente en el mercado están limitados a ciertas biomasas cuya combustión origina un porcentaje bajo de cenizas. Así, la combustión de materiales como el hueso de aceituna no puede llevarse a cabo con elevado rendimiento en los quemadores de biomasa actualmente existentes en el mercado, debido a que el diseño de su parrilla de quemado no proporciona tanto los caudales y presión de aire requeridos como el acceso de este aire comburente a los puntos críticos para la combustión en el interior del hogar del quemador.

La mayor parte de los quemadores de biomasa, como los divulgados en los documentos de patente ES1077344-U y EP2662622-A1 , presentan también problemas, ya que su diseño no permite la combustión adecuada de cualquier tipo de biomasa, debido fundamentalmente a que el caudal de aire en su interior genera una combustión incompleta del material combustible, originando gran cantidad de inquemados y cenizas, así como un rendimiento mejorable del sistema de combustión. Además, dado que en dichos quemadores tanto el caudal como la presión de aire no son regulados adecuadamente en función de la demanda del equipo, en distintas zonas de la cámara de combustión se producen sobrecalentamientos por exceso de aire en dicho punto, que deterioran con rapidez el material con que se fabrican estos equipos, disminuyendo su vida útil. Como desventaja adicional, los dispositivos de limpieza de ceniza que incorporan dichos quemadores llevan asociados elevados tiempos de mantenimiento, a pesar de disponer de un sistema de extracción de la parrilla por la parte trasera del quemador, en algún caso

La parrilla de quemado objeto de la presente invención soluciona los problemas anteriormente descritos, debido a que su diseño facilita la entrada y distribución de aire comburente en el interior del hogar del quemador, provocando que, con la regulación específica correspondiente, se pueda llevar a cabo la combustión de cualquier tipo de biomasa de las comúnmente utilizadas, tales como cáscara de frutos, pellet o hueso, de distintas procedencias y naturaleza. Además, el acceso por la parte frontal del quemador facilita enormemente las operaciones de mantenimiento a realizar, minimizando estas con respecto a los quemadores actualmente existentes en el mercado. Descripción de la invención

El objeto de la invención es el diseño optimizado de una parrilla de quemado para quemadores de llama horizontal policombustibles, válidos para cualquier tipo de biomasa. Las características geométricas de la parrilla permiten la combustión con elevado rendimiento, menor contenido en cenizas y menor mantenimiento, de cualquier tipo de biomasa (pellet, hueso, cáscara de frutos, etc.) a diferencia del resto de quemadores existentes en el mercado, limitados a biomasas que cumplen ciertos requisitos que permitan su adecuada combustión.

La parrilla de quemado dispone de unas placas cortafuegos intermedias ubicadas en la parrilla, las cuales son susceptibles, igualmente, de ser colocadas directamente en la cámara de combustión, en la zona inmediatamente inferior a la propia parrilla, cumpliendo la misma función y siendo independientes de la parrilla. Esto es, las placas cortafuegos pueden ir fijadas a la propia parrilla o a la cámara de combustión, en la zona que está por debajo de la parrilla.

El sistema de extracción de la parrilla, por la parte frontal del quemador, facilita igualmente las operaciones de mantenimiento del mismo, evitando el desmontaje y minimizando los tiempos requeridos para el mantenimiento de la instalación. Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. La Figura 1 muestra un quemador de llama horizontal utilizado para la combustión de biomasa, de acuerdo al estado del arte.

La Figura 2 muestra una sección frontal de un quemador de llama horizontal que incorpora la parrilla de quemado objeto de la presente invención. Las Figuras 3A, 3B y 3C muestran distintas vistas de la parrilla de quemado desarrollada.

Las Figura 4A y 4B muestran, respectivamente, una vista frontal y una sección lateral del quemador que incorpora la parrilla de quemado desarrollada.

La Figura 5 muestra una sección lateral del quemador, en la que se ilustra la alimentación y disposición del material combustible en el interior de la cámara de combustión.

La Figura 6 muestra la distribución del aire comburente en el interior de la cámara de combustión de los quemadores de llama horizontal existentes en el mercado.

La Figura 7 muestra una vista en perfil de la parrilla, con la disposición de placas para corte de aire, o cortafuegos, que facilitan la distribución del aire comburente a las zonas de la parrilla con mayor demanda de aire comburente, permitiendo la combustión efectiva de la mayor parte de los combustibles e incrementando el rendimiento energético del quemador.

La Figura 8 muestra un perfil de la parrilla, en la que se aprecian los pasos de aire comburente habilitados en las barreras o cortafuegos, a través de la diferencia de altura entre ellos.

La Figura 9 muestra el flujo de aire comburente en la zona inferior de la cámara de combustión generado por la parrilla de quemado.

Las Figura 10 y 1 1 muestran la parrilla con cortafuegos intermedios de la misma altura y aperturas en los mismos.

La Figura 12 muestra una vista en sección longitudinal de la cámara de combustión con la parrilla con cortafuegos intermedios y aperturas en los mismos. En las Figuras 13A a 13E se muestras distintas vistas de una realización alternativa, donde los cortafuegos intermedios están ubicados solidarios a la cámara de combustión, en lugar de en la parrilla.

Descripción detallada de la invención

En la Figura 1 se muestran los componentes principales de un quemador de biomasa 10 de llama horizontal convencional, de acuerdo al estado del arte:

- Cámara de combustión 1 .

- Caja de ventilación 2, por donde se puede acceder para realizar labores de mantenimiento y donde se pueden encontrar igualmente los componentes eléctricos del equipo.

- Turbina o ventilador 3, para impulsión del aire comburente, normalmente ubicado en la parte superior o en la parte posterior del quemador.

- Boca o tubo de alimentación de biomasa 4, de inclinación o ángulo variable respecto a la horizontal.

- Motor eléctrico 5 para accionamiento de tornillo sinfín alimentador de biomasa.

- Sistema de encendido 6.

- Pared intermedia 7 que separa la cámara de combustión 1 de la caja de ventilación 2, y que dispone de un orificio para el paso de la parrilla de quemado y un orificio para el paso de la biomasa empujada por el tornillo sinfín, además de diversas entradas de aire de combustión y ventilación

En cualquier tipo de quemador de biomasa de llama horizontal se pueden distinguir dos zonas bien diferenciadas: la cámara de combustión 1 y la zona de impulsión (resto de elementos).

De modo general, el funcionamiento de un quemador de este tipo es el siguiente: la alimentación de la biomasa se lleva a cabo a través del tubo de alimentación 4 mediante un tornillo sinfín, desde la tolva en la que se almacena la biomasa. El motor eléctrico 5 acciona otro tornillo sinfín que alimenta la biomasa al interior de la cámara de combustión 1 , sobre la parrilla de quemado ubicada en su interior. La chispa para el encendido inicial del quemador se consigue mediante una bujía o sistema de encendido 6. El aporte del aire comburente se lleva a cabo mediante la turbina 3 acoplada en la zona de impulsión, que introduce el aire necesario para la combustión en el interior de la caja de ventilación 2, y de ahí a la cámara de combustión 1 .

En la Figura 2 siguiente se presenta una sección frontal de la cámara de combustión 1 de un quemador que incorpora la parrilla de quemado 8 extraíble objeto de la presente invención. En la figura se aprecia el tubo exterior 18 de la cámara de combustión 1 y un reflector interior 19 con aberturas u orificios 20 en los laterales de su parte superior para el paso de aire proveniente de la zona de impulsión al interior de la cámara de combustión 1 y la refrigeración de ésta. El diseño y las características geométricas de la parrilla de quemado 8 permiten la combustión adecuada de cualquier tipo de biomasa, con elevados rendimiento y mínimas operaciones de mantenimiento e incremento de la durabilidad del equipo, evitando sobrecalentamientos.

El dispositivo de extracción de la parrilla, por la parte frontal de la cámara de combustión 1 del quemador, es posible mediante unas guías habilitadas para tal fin en el interior de la cámara de combustión 1 . El particular diseño de la parrilla 8, unido a los puntos de acceso del aire comburente en la cámara de combustión 1 procedente de la turbina 3, facilita la combustión de la biomasa depositada sobre la parrilla de quemado 8 extraíble. La extracción de la parrilla de quemado 8 se lleva a cabo por la parte delantera del quemador, deslizando ésta en las guías habilitadas para tal fin. Este dispositivo de extracción facilita la limpieza del equipo, evitando el desmontaje y minimizando el tiempo dedicado a las operaciones de mantenimiento.

No obstante, la novedad más importante de la presente invención radica en el diseño geométrico optimizado de la parrilla de quemado 8, que permite la entrada de aire comburente para la completa combustión de biomasa con un mínimo porcentaje de cenizas e inquemados. En las Figuras 3A, 3B y 3C se representa en diferentes vistas (un alzado, una vista frontal y una vista lateral, respectivamente) la parrilla de quemado 8 extraíble de diseño optimizado y elevado rendimiento para la combustión de biomasa, que puede disponer de un tirador o asa 15, para facilitar la manipulación de la parrilla

La parrilla de quemado 8 tiene practicadas una serie de perforaciones para permitir el paso por su parte inferior de aire comburente proveniente de la zona de impulsión. Dichas perforaciones se implementan preferentemente en forma de orificios 12 y ranuras 13, de geometría y forma variables. La ubicación de los orificios 12 y ranuras 13 puede ser igualmente modificada en función de la potencia del quemador y de la naturaleza del combustible que se pretenda utilizar, ya que las necesidades concretas de penetración de aire comburente pueden variar. Así, en la Figura 3A se aprecian ranuras 13 en la base de la parrilla 8 y orificios 12 en el lateral de la misma, pero la parrilla podría disponer por ejemplo únicamente de orificios 12 en la base, o una combinación de orificios 12 y ranuras 13 en la base, ranuras 13 en el lateral en lugar de orificios 12, o cualquier otra combinación de perforaciones. En una realización preferida la base y el lateral de la parrilla disponen, respectivamente, de ranuras 13 y orificios 12 en toda la longitud de la parrilla. El aspecto más importante, y que explica el elevado rendimiento del quemador de biomasa 10, está relacionado con unos refuerzos, cortafuegos o placas intermedias 14 que presenta la parrilla de quemado 8 en su parte inferior, los cuales se disponen preferentemente perpendiculares a la base de la parrilla, esto es, verticales. Las placas intermedias 14 están dispuestas en la parte intermedia de la parrilla y permiten una adecuada distribución del aire en la cámara de combustión 1 del quemador. En particular, distribuyen el aire comburente a las distintas zonas de la parrilla de quemado 8 en función de la demanda de oxígeno, para la adecuada combustión del material utilizado como combustible. Las placas intermedias 14, que pueden ser una o varias, se disponen a lo largo de la parrilla de quemado 8. La parrilla de quemado 8 dispone a su vez de una placa de cierre frontal 14' en el extremo posterior de la parrilla, pudiendo presentar aperturas o perforaciones de geometría variable, como se detallará posteriormente. Para entender la distribución del aire comburente en el interior de la cámara de combustión 1 , hay que explicar antes la parte interna del quemador de biomasa 10. La Figura 4A muestra una vista frontal del quemador que incorpora la parrilla de quemado 8 objeto de la presente invención, mientras que la Figura 4B representa una sección lateral del quemador según la sección A-A indicada en la Figura 4A. En dichas figuras se aprecian el orificio 16 por donde el tornillo sinfín 17 empuja la biomasa a la cámara de combustión, el tubo exterior 18 de la cámara de combustión, el reflector interior 19 con aberturas u orificios 20 en los laterales de su parte superior para el paso de aire proveniente de la zona de impulsión al interior de la cámara de combustión 1 , la fotocélula 21 , que indica el estado de funcionamiento del quemador, la bujía 22 y la caja de ventilación 2 por donde entra el aire impulsado a través de la turbina 3 (no mostrada en la figura).

La Figura 5 muestra, según la misma sección A-A de la Figura 4A, la distribución de la biomasa 30 según entra en la cámara de combustión 1 . Como se aprecia, la biomasa 30 se acumula en mayor cantidad en la parte inicial de la parrilla de quemado 8.

El proceso que ocurre en el interior de la cámara de combustión es el siguiente: la alimentación de biomasa 30 (pellet, hueso, cáscara de frutos, etc.) se realiza a partir del tornillo sinfín 17. La entrada del aire comburente que provoca la combustión del combustible es generada por la turbina 3 ubicada en la parte trasera del quemador 10. En la mayor parte de los quemadores existentes en el mercado, el aire introducido por la turbina se distribuye tal y como se refleja en la Figura 6. El aire comburente impulsado por la turbina 3 es lanzado desde la caja de ventilación 2 hacia dos zonas principalmente:

- La zona superior 32 que alimenta de aire, a través de las aberturas 20 del reflector interior 19, el interior de la cámara de combustión 1 , facilitando el quemado del combustible, y refrigerando la cámara de combustión. La presión de aire generada en esa zona superior contribuye, igualmente, a proporcionar las características adecuadas a la llama generada por el combustible.

- La zona inferior 33, donde el aire es introducido por la superficie inmediatamente inferior a la parrilla de quemado 8, y en la que se produce el aporte de aire necesario para llevar a cabo la combustión del combustible sólido que se esté utilizando.

Como se puede ver en la Figura 7, la parrilla de quemado 8 además de la placa de cierre frontal 14', incorpora dos placas intermedias 14 a lo largo de la longitud de la parrilla, pudiendo incorporarse un número diferente de placas o cortafuegos en distintas posiciones de la parrilla, en función del tipo de combustible y de las necesidades de aire comburente en cada caso concreto. Las parrillas existentes actualmente no presentan esas barreras o cortafuegos, por lo que la presente invención constituye una novedad de impacto. Estas barreras son la base fundamental de la presente invención, ya que permiten incrementar enormemente el rendimiento del quemador, minimizar la presencia de cenizas y evitar sobrecalentamientos en la cámara de combustión, con respecto a los sistemas de combustión tradicionales, entre otras ventajas.

La explicación acerca del funcionamiento de estas barreras, placas intermedias 14, es la siguiente: La acumulación de material combustible, como se aprecia en la Figura 5, se va produciendo en la zona inicial de la parrilla, por lo que la demanda de aire comburente será mayor en esta zona. Las parrillas actuales, al no incorporar estas barreras o cortafuegos no son capaces de quemar ciertos combustibles (como por ejemplo hueso de aceituna u otros), o si lo son lo hacen generando una gran cantidad de inquemados y con un bajo rendimiento, ya que el aire comburente tiende a focalizarse en la zona final de la parrilla del quemador, arrastrando incluso parte de material inquemado al hogar del horno que esté alimentando térmicamente el quemador.

La presente parrilla de quemado 8 incorpora varias barreras o cortafuegos, con una geometría y disposición adecuados para producir un incremento del caudal y presión de aire comburente en la zona inicial de la parrilla, en la que mayor densidad de combustible se acumula y en la que existe una mayor demanda de aire comburente. Como se contempla en la Figura 8, existe una diferencia de altura, variable en cada caso concreto, entre las barreras o cortafuegos (placas intermedias 14) habilitados y el cierre frontal de la parrilla (placa de cierre frontal 14'), de forma que el aire comburente es conducido a las zonas de la parrilla en función de la demanda de éste para llevar a cabo la combustión de forma óptima, incrementando el rendimiento del proceso y minimizando la generación de cenizas y las operaciones de mantenimiento asociadas a su limpieza. La Figura 9 muestra el flujo de aire comburente en la zona inferior 33 de la cámara de combustión 1 , generado por la entrada de aire impulsado por la turbina 3 desde la caja de ventilación 2, y por las placas intermedias 14.

Las placas o cortafuegos habilitados en la parrilla pueden ubicarse, igualmente, en la cámara de combustión, en la zona inmediatamente inferior a la propia parrilla, en caso de no incorporar ésta dichos cortafuegos que optimizan la combustión de la biomasa correspondiente. Las placas o cortafuegos habilitados en la parrilla, o directamente en la cámara de combustión, pueden tener, además, la misma altura. En ese caso, las placas cortafuegos presentan unas perforaciones o aperturas 34, de geometría y ubicación variable, que permiten el paso de aire a su través, bien por la parte superior o bien por su parte central, tal y como se puede apreciar en las Figuras 10, 11 y 12. De esta forma, la combustión del material situado en la zona inmediatamente superior a la franja de contacto entre el cortafuegos y la parrilla se llevará a cabo con gran rendimiento, no existiendo "zonas muertas" en la cámara de combustión, y distribuyéndose el aire comburente de forma homogénea.

Esto es, los pasos de aire habilitados en la parrilla no solamente pueden venir a través de la diferencia de altura entre los cortafuegos, sino que pueden habilitarse aperturas 34 en dichos cortafuegos, si éstos presentan la misma altura. También se podría disponer una combinación de ambas (diferentes alturas de los cortafuegos y aperturas 34). La Figura 10 muestra la parrilla con cortafuegos de la misma altura, en la que se han practicado orificios, de características geométricas variables en función de la regulación de funcionamiento, para el paso de aire superior entre los compartimentos delimitados por los cortafuegos. La Figura 1 1 muestra la parrilla sin el cierre frontal, donde se aprecian mejor las aperturas 34 en los cortafuegos. En otra realización preferente los cortafuegos, barreras o placas intermedias 14 están ubicadas solidarias a la base de la cámara de combustión, en lugar de ir incorporadas en la base de la parrilla, pero cumplen la misma función. En las Figuras 13A-13E se muestras distintas vistas de la cámara de combustión para esta realización preferente, en las que no se muestra la parrilla montada. En la Figura 13A se muestra una vista superior de la cámara de combustión 1 con dos placas intermedias 14 y una placa de cierre frontal 14'. En la Figura 13B se representa una vista en perspectiva frontal de la cámara de combustión 1 con una placa intermedia 14 y una placa de cierre frontal 14'. La Figura 13C muestra otra vista de la cámara de combustión donde se aprecian las aperturas 34 en la placa intermedia 14. La Figura 13D muestra una vista en sección de la cámara de combustión 1 y la Figura 13E una vista superior de la cámara de combustión con las placas intermedias 14 con aperturas 34 y la placa de cierre frontal 14'.