Universidad César Vallejo

Estudio y análisis de los métodos y parámetros para la utilización de carbón antracita como combustible alternativo en calderas de generación de vapor.

Universidad César Vallejo

Facultad de Ingeniería

_________________________________________Escuela de Ingeniería Mecánica

PROYECTO DE TESIS

ESTUDIO Y ANÁLISIS DE LOS MÉTODOS Y PARÁMETROS PARA LA UTILIZACIÓN DE CARBÓN ANTRACITA COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO EN CALDERAS DE GENERACIÓN DE VAPOR

Autores:

Augusto Carlos Palza Bernuy

Freddy Wilmer Guerra Casana

Docente Supervisor:Ing. Luis Julca Verástegui

Asesor:Ing. Rosario Paredes

Trujillo – Perú

Abril – Julio 2006

PROYECTO DE TESIS

I. GENERALIDADES

1. Título tentativo

Estudio y análisis de los métodos y parámetros para la utilización de carbón antracita como combustible alternativo en calderas de generación de vapor.

2. Autor(es)

Palza Bernuy Augusto Carlos

Guerra Casana, Wilmer Freddy

3. Asesor:

Ing. Raúl Paredes Rosario

4. Tipo de investigación

4.1. De acuerdo al tipo de investigación: Aplicada.

4.2. De acuerdo a la técnica de contrastación: Descriptiva.

5. Área de la investigación

Área de Energía

6. Lugar de Investigación

TRUPAL S.A. – Malca, Stgo. De Cao

7. Institución que investiga

Universidad César Vallejo (Trujillo – Perú)

Alumnos de escuela profesional de Ing. Mecánica IX ciclo

8. Duración del proyecto

3 Meses. (2 de mayo 2006 – 22 de julio 2006)

II. PLAN DE INVESTIGACION

1. El Problema

1.1. Realidad problemática

En el Mundo: De todos los combustibles fósiles, el carbón es por mucho el más abundante en el mundo. Se ha estimado que a fines del año 2005 existirá más de 1 billón (1x1012) de toneladas en reservas totales accesibles de forma económica, y mediante las tecnologías de explotación actualmente disponibles. De estas reservas aproximadamente la mitad corresponden a carbón de alto rango o carbón antracita.

No solamente existen grandes reservas, sino que también están geográficamente esparcidas en más de 100 países en todos los continentes. La abundancia de las reservas constituye una disponibilidad de suministro durante mucho tiempo. A los niveles de producción de 2005, las reservas de carbón son suficientes para los próximos 250 años. La cifra anterior considera los recursos carboníferos que pueden probarse durante las exploraciones en curso, aquellos recursos que se vuelvan accesibles a medida que se hagan mejoras en las tecnologías de explotación; o se vuelvan comerciales por el incremento en el uso de carbones de bajo rango, cuya utilización no es actualmente rentable.

Las relaciones actuales de reservas de carbón son aproximadamente 4 veces las reservas de petróleo. La disponibilidad de reservas abundantes y fácilmente accesibles también significa disponibilidad de energía estable para países tanto importadores como productores.

Del total de carbón producido en 1998, más de 500 MMton fueron comercializadas internacionalmente. Se estima que el comercio internacional del carbón bituminoso continuará creciendo por encima de 560 MMton en al año 2000. La oferta de carbón térmico y metalúrgico, por lo general mantienen la misma tendencia. En 1998 se comercializaron 510 millones de carbón de bituminoso, de las cuales cerca de un 60% fue carbón térmico, y un 40% fue carbón metalúrgico. El comercio de carbón térmico en los últimos 20 años presenta un crecimiento del 7% anual.

Fuente: (Energy Information Administration, International Energy Outlook 1998-2020, DOE/EIA)

El Perú alberga un considerable potencial de carbón cuyo aprovechamiento ofrece interesantes y variadas oportunidades para los inversionistas. Las mejores posibilidades presentan la explotación e industrialización de la antracita de los Andes Nor-occidentales. La costa Norte del Perú, próxima a los yacimientos, se está industrializando y necesita el carbón como materia prima y/o como fuente de energía. El potencial de las antracitas en la Sierra Norte tiene el orden de cientos de millones de toneladas. Una gran parte de la antracita tiene un alto poder calorífico y puede utilizarse para fines especiales e inclusive exportarse.

Dicho potencial se aprovecha de manera muy limitado. Según el Ministerio de Energía y Minas el Perú produjo últimamente unas 31,000 TM/año de antracita no sobrepasando la extracción anual a 81,000 TM. Actualmente las explotaciones de antracita en el Perú son muy pequeñas y primitivas, el transporte es muy caro, la producción es heterogénea y el suministro inseguro. La mayor parte de la antracita extraída se utiliza sin lavado como combustible barato en las ladrilleras y sólo una pequeña fracción en las industrias. No habiendo suministro adecuado no se ha desarrollado el mercado para los carbones nacionales.

Fuente: Ministerio de Energía y Minas año 2005

El aumento progresivo del precio del petróleo y derivados en el Perú, nos conlleva a la búsqueda de nuevos combustibles alternativos, para su utilización en la industria nacional, según la balanza comercial de petróleo y derivados es deficitaria desde 1988 cuando el Perú pasó de ser exportador neto de combustible a un importador neto. La creciente demanda interna de combustible, unido a la menor producción nacional de crudo, condujo a demandar cada vez más combustible importado. Debido a ello, en el 2003 la balanza de petróleo y derivados fue deficitaria en US$ 681 millones.

Las mayores cotizaciones del petróleo crudo en el mercado internacional incidieron de manera importante en el mercado nacional. Los precios internos de combustibles aumentaron, en promedio, 11,2% durante el período enero–agosto de 2004. Esta alza explica, en parte, que la inflación acumulada a agosto de 2004 haya sido de 3,2% (la contribución del incremento de los precios locales de los combustibles derivados del petróleo fue 0,54%).

Fuente: BCRP, memorias varias

1.2. Justificación:

Ante la realidad problemática, basada, en la utilización del recurso natural como es el carbón antracita y el elevado costo actual del petróleo y derivados; este proyecto de investigación encontró una manera óptima de combinar estas dos necesidades que genera el problema.

Estudiando las nuevas tecnologías para hacer posible la participación del carbón antracita como combustible alternativo en la generación de vapor y a su vez reducir el precio del mismo en la industria nacional.

1.3. Formulación:

¿Cuáles son lo métodos y parámetros óptimos, para la operación de calderas de generación de vapor usando como combustible alternativo carbón antracita?

1.4. Limitaciones:

· Este proyecto se basará solamente en el uso del carbón antracita como combustible alternativo, más no el impacto ambiental que podría generar.

· Este proyecto se basará sólo en acondicionamiento de la caldera para hacer posible el uso del carbón como combustible alternativo, y no con sistema dual.

· Este proyecto, se llevará a cabo, totalmente en el aspecto bibliográfico.

2.Objetivos

2.1. General:

Encontrar los métodos y parámetros óptimos de utilización del carbón antracita como combustible alternativos en calderas de generación de vapor

2.2. Específicos:

- Demostrar tecnológicamente que el uso del carbón como combustible alternativo en calderas de generación de vapor es competitivo con otros combustibles convencionales.

- Dar a conocer la importancia del carbón antracita en la participación de la industria mundial.

- Elaborar, el diagrama de flujo de la instalación, con indicación de flujos y condiciones de operación.

- Elaborar la tabla de flujo de componentes y flujos totales.

- Encontrar los nuevos parámetros de los circuitos de combustible / cenizas; aire / gases y agua / vapor.

- Encontrar los coeficientes de exceso de aire.

- Encontrar las emisiones de cenizas y carbono inquemado en la combustión.

- Dimensionar el hogar de la caldera con carbón antracita como combustible alternativo.

- Dar a conocer los sistemas de inyección de carbón en calderas

- Realizar los cálculos justificativos.

- Realizar un análisis económico del proyecto.

- Elaborar un programa, para obtención de nuevos parámetros de una caldera, cambiando el combustible.

2.3 Marco Referencial

2.3.1 Antecedentes:

· Evaluación del Uso de Carbón como Combustible en la Central Termoeléctrica “Comandantes Luis Piedrabuena”

Autores: Ing. Braulio R. Laurencena e Ing. Aloma Sartor.

Grupo de estudio de Ingeniería Ambiental, UTN

Abril 2001 – Bahía Blanca, Argentina

· Uso de carbón como combustible alternativo, en los hornos de Cementos Pacasmayo S.A.A

Dpto. Investigación y desarrollo

Agosto 1998 – Pacasmayo, La Libertad

· Caracterización del sistema de molienda de carbón pulverizado de una central térmica mediante simulación CFD

Autores: A. Gil, I. Iranzo, E. Domingo, I. Arauzo

Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº 28, Nº 162, 2002, pags. 76-82

· Aplicación de códigos CFD a la simulación del funcionamiento de una caldera de carbón pulverizado de 350MW

Autores: A. Gil, I. Iranzo, C. Cortés, E. Domingo

Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº 27, Nº 160, 2001, pags. 57-65

2.3.2 Análisis del problema, estado inicial, estado final o de salida

2.3.3 Marco Teórico

I. GENERALIDADES DEL CARBÓN

1. ¿QUÉ ES EL CARBÓN?

El carbón es un mineral de origen orgánico constituido básicamente por carbono. Su formación es el resultado de la condensación gradual de la materia de plantas parcialmente descompuestas a lo largo de millones de años.

2. TIPOS DE CARBÓN

Las plantas al descomponerse forman una capa llamada Turba, una ves compuesta esta capa, se inicia la formación del carbón.

TIPO DE CARBÓN

DESCRIPCIÓN

Lignito

Se forma una vez comprimida la turba. Es el de menor valor calorífico porque se formó en épocas mas recientes y contiene menos carbono y más agua.

Es una sustancia parda y desmenuzable en la que se pueden reconocer algunas estructuras vegetales.

Concentración carbono: 30%

Hulla

Se origina por la compresión del lignito. Tiene un importante poder calorífico por lo que se utiliza en las plantas de producción de energía. Es dura y quebradiza, de color negro

Concentración de carbono: entre 75 y 80 %

Antracita

Procede de la transformación de la hulla. Es el mejor de los carbones muy poco contaminante y de alto poder calorífico. Arde con dificultad pero desprende mucho calor y poco humo. Es negro brillante y muy duro.

Concentración de carbono: hasta un 90%

3. CARBÓN ANTRACITA

Es el carbón de mejor calidad, procede de la transformación de la hulla. Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. Aunque se inflama con más diferencia que otros carbones, libera una gran cantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.

Se formó hace unos 250 millones de años, durante los períodos Carbonífero y pérmico, en la era Primaria.

3.1 PROPIEDADES DEL CARBÓN ANTRACITA

Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor en materia volátil de los tres tipos mencionados. Contiene aproximadamente un 87,1 % de carbono, un 9,3 % de cenizas y un 3,6 % de material volátil. Tiene un color negro brillante de estructura cristalina, Su poder calorífico tiene un valor aproximado de 8.300 Kcal/Kg.

II. CALDERAS

Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por en líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor. El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de agua, economizadores) o el aire de combustión (precalentador de aire), y otros recalientan el vapor (recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador.

Los aparatos que quitan su vapor al fluido refrigerador de un reactor nuclear (pila atómica), si bien constituyen verdaderos evaporadores o calderas en sentido amplio de la palabra, se denominan normalmente intercambiadores. Durante su funcionamiento, la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador, recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición.

La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas calentadas por hogares. Las primeras calderas consistían esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes. Para obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas con hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectados a éste mediante conductos tubulares. En este sentido ha constituido una nueva etapa la aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo principal está atravesado por un haz tubular.

Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.

2.1 TIPOS DE CALDERAS

2.1.1 ACUATUBULARES

Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.

En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.

La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.

A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

VENTAJAS:

· La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 24.6 (Kg./cm2)

· Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500 (Kw.).

· Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".

· La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

· El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.

· Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.

· Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.

· Son utilizados quemadores ecológicos para combustión, gas y diesel.

· Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.

· El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

2.1.2 PIRUTUBULARES

La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.

El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.

La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.

El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.

El conjunto completo con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante en una bancada sólida de firme construcción, suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones e instalación.

2.2 CALDERAS DE VAPOR

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por Kw de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 (libras-pie/seg), valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 (Kg.xm/seg). Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

2.2.1 PROCESO DE VAPORIZACIÓN

El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y su temperatura.

Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los limites de diseño deseado, con un factor de seguridad razonable.

Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción domestica, la presión máxima de operación es de 1.06 (kg/m2). En el caso del agua caliente, esta es igual a 232 oC.

Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.

2.3 IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE

Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de (kilocalorías / kilogramo) que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas.

Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas.

El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos

grandes categorías.

Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.

Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.

El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa.

Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea íntima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.

2.4 TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA

Se denomina aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad estequiométrica de este, necesaria para una combustión completa

Se considera que un combustible (sólido o líquido) está formado por carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en peso.

PC Kg. de carbono / Kg. de combustible

PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de combustible

PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de combustible

PS Kg. de azufre / Kg. de combustible

de tal forma que se verifique:

EMBED Equation.2

Teniendo en cuenta que las reacciones químicas de la combustión completa son:

EMBED Equation.2

EMBED Equation.2

EMBED Equation.2

y teniendo en cuenta los pesos moleculares correspondientes, se tiene que para quemar Pc Kg. de carbono, se necesita:

12

32

PC kg de oxígeno = 2,67 Pc kg de O2

De la misma forma, para quemar los PH2 Kg. de hidrógeno, se necesita:

2

16

PH2 kg de oxígeno = 8 PH2 kg de O2

y para la combustión completa de los Ps Kg. de azufre se necesitarán:

32

32

PS kg de oxígeno = PS kg de O2

Ahora bien, como el combustible contiene ya PO2 Kg. de oxígeno, el oxígeno mínimo que hay que aportar para producir la combustión completa de 1 Kg. de combustible será:

Om = 2,67 PC + 8 PH2 + PS - PO2 kg de oxígeno.(1)

Como la composición media, en peso, del aire es aproximadamente de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, el aire mínimo expresado en kilogramos será:

0,21

P

-

P

+

P

8

+

P

2,67

0,21

O

A

O2

S

H2

C

m

m

=

=

La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más posible, la energía química contenida en potencia en el combustible. Esta energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y recalentarlo. La diferencia entre la energía en potencia, contenida en el combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida (calorías perdidas). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas.

2.5 TIPOS DE COMBUSTIBLES PARA CALDERAS

TIPO

NATURAL

MANUFACTURADO

SÓLIDO

Antracita

Hulla

Lignito

Turba

Coque

Carbón de leña

Briquetas

LÍQUIDO

Petróleo

Alquitrán

Destilado de petróleo

Residuos de petróleo

Alcoholes

Combustible coloidales

GASEOSO

Gas Natural

Gas de agua

Gas de aceite

Gas de alto horno

Gas de gasógeno

Acetileno

2.6 CAPACIDAD CALORÍFICA

La combustión es el conjunto de combinaciones químicas que se producen en ciertas condiciones, desprendiendo calor, cuando se pone en contacto un combustible y un carburante.

2.7 COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR

1) El hogar con su parrilla, cámara de combustión, cenicero, y altar.

2) La caldera propiamente dicha, compuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa de acero herméticamente sellado y expuesto a la acción de las llamas y de los gases calientes.

3) El conducto de humos, que conduce a los productos de la combustión desde el hogar hasta la base de la chimenea.

2.8 TRANSFORMACION DE LA ENERGIA EN UNA CALDERA

2.8.1 CIRCUITO COMBUSTIBLE – CENIZA

Formado por la combustión del combustible en el hogar de la caldera, en el cual la energía química es transferida algas bajo forma de calor, mientras que los cuerpos incombustibles quedan bajo forma de ceniza, en función de las condiciones específicas, los residuos sólidos de la combustión son retornados al sitio de alimentación con combustible, son depositados correspondientemente o, luego de una operación de preparación, se le da una utilización cualquiera en construcción.

2.8.2 CIRCUITO AIRE – GASES

Consta del aire tomado de la atmósfera para la combustión y los gases resultados de combustión, los cuales después que recorren las superficies de calentamiento de la caldera, son evacuados a la atmósfera; el volumen de aire – gases crece por la absorción de calor, para que, por enfriamiento, se reduzcan de nuevo.

2.8.3 CIRCUITO AGUA – VAPOR

Está compuesto por el precalentamiento, la vaporización del agua y el sobrecalentamiento del vapor debido al calor transmitido, por las superficies de calentamiento de los componentes de la caldera, por los gases de combustión.

2.8.4 SUPERFICIES DE CALEFACCION EN LA CALDERA

Reciben el nombre de superficies de calefacción de una caldera todas aquellas partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua y por el otro lado reciben calor. La superficie de calefacción se mide del lado que recibe calor y se expresa en m2. La superficie de calefacción consta de:

a) Superficie de calefacción directa. Es la que por un lado esta en contacto con el agua y por el otro recibe calor directamente de las llamas.

b) Superficie de calefacción indirecta. Es la que por un lado esta en contacto con el agua y por el otro recibe calor que le entregan los gases de combustión.

c) Superficies de calefacción final. Es igual a la suma de las dos anteriores

2.8.5 CAPACIDAD DE PRODUCCION HORARIA DE VAPOR

Es la cantidad, en kg de vapor que produce una caldera por hora. Como la cantidad de vapor que puede producir una caldera, quemando la misma cantidad horaria de combustible, depende de la presión de vapor y de la temperatura con que se introduce el agua en la misma, al expresar la producción horaria de vapor de una caldera de una caldera deberán mencionarse estos últimos datos.

2.8.6 PRODUCCION ESPECÍFICA DE VAPOR O VAPORIZACION

Son los kg, de vapor que produce, la caldera por hora y por m2 de superficie de calefacción.

2.8.7 SUPERFICIE DE VAPORIZACION

Es la superficie que separa, en cualquier instante, el espacio ocupado por el agua del que ocupa el vapor. Podríamos decir que es la superficie libre del agua.

2.8.8 POTENCIA DE UNA CALDERA

La forma mas correcta de establecer la capacidad o potencia de una caldera es referirse a su producción de vapor horaria, fijando también la presión de dicho vapor, y su temperatura si es sobrecalentado, y la temperatura del agua de alimentación.

III. SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DEL CARBÓN PARA CALDERAS

3.1 SISTEMAS DE CARBÓN PULVERIZADO

La industria se ha esforzado continuamente para incrementar las eficiencias de las plantas convencionales; por ejemplo, la eficiencia térmica promedio de las centrales de generación en los Estados Unidos se ha incrementado de un 5% en 1900 hasta casi un 35% actualmente. Las nuevas plantas de generación con sistemas de pulverización convencionales alcanzan eficiencias superiores al 40%. Las plantas modernas avanzadas utilizan aleaciones de acero, especialmente desarrolladas para alta resistencia que hacen posible el uso de vapor a condiciones supercríticas y ultra-supercríticas (presiones mayores a 248 bar y temperaturas mayores a 566° C) y pueden alcanzar, dependiendo de la localización, cerca del 45% de eficiencia. Esto conduce a una reducción en las emisiones de CO2, por cuanto se usa menos combustible por unidad de electricidad producida.

3.2 COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIZADO

La combustión en lecho fluidizado es un método para quemar carbón en un lecho de partículas calientes suspendidas en una corriente de gas. A una tasa de flujo suficiente, el lecho actúa como un fluido y permite una mezcla rápida de las partículas. El carbón es adicionado al lecho y la mezcla continua estimula la combustión completa y una menor temperatura que en los sistemas de combustión con carbón pulverizado. Los lechos fluidizados tienen las ventajas de producir menos NOx en el gas de salida, y debido a las menores temperaturas de combustión producen menos SOx cuando se adiciona continuamente caliza al carbón. Esta tecnología puede también usar un rango más amplio de combustibles que las tecnologías de combustibles pulverizados.

Los lechos fluidizados de presión atmosférica están comercialmente disponibles en dos tipos: lecho burbujeante (conocido como combustión en lecho fluidizado atmosférico - AFBCs) y el lecho circulante (CFBCs). La eficiencia de la mayoría de los lechos fluidizados usados para la generación de electricidad es similar a la de las plantas convencionales de carbón pulverizado. Sin embargo, el uso de esta tecnología ha sido estimulada debido a su mejor desempeño ambiental. Los lechos fluidizados presurizados, los cuales pueden alcanzar eficiencias del 45%, están en etapas avanzadas de demostración. Como en las plantas de combustibles pulverizados, la utilización de condiciones de vapor más altas podría aumentar aún más la eficiencia.

3.3 CICLO COMBINADO CON GASIFICACIÓN INTEGRADA (IGCC)

Una alternativa a la combustión de carbón es la gasificación de carbón. Cuando el carbón entra en contacto con vapor y oxígeno, se producen reacciones termoquímicas que generan un gas combustible compuesto principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, el cual cuando es quemado puede ser usado para turbinas de gas. Los sistemas de generación de electricidad con ciclos combinados de gasificación integrada de carbón (IGCC) están actualmente en desarrollo y demostración. Estos sistemas permiten incrementar las eficiencias al usar el calor residual del gas para producir vapor para mover una turbina de vapor adicional a la turbina de gas. Los sistemas existentes en estado de demostración comercial buscan alcanzar eficiencias del 42% y se espera, cuando sean plenamente comerciales, que lleguen al 50%, con tecnologías y materiales actualmente en desarrollo. Los sistemas IGCC producen adicionalmente menos residuos sólidos y menos emisiones de SOx, NOx y CO2. Hasta el 99% del azufre presente en el carbón puede ser recuperado para venderse como azufre químicamente puro.

3.4 SISTEMAS HÍBRIDOS

Los ciclos combinados híbridos se encuentran actualmente en desarrollo. Estos combinan las mejores características de las tecnologías de gasificación y combustión, usando carbón en un proceso de dos etapas. La primera etapa gasifica la mayoría del carbón y mueve una turbina de gas, la segunda etapa quema el carbón residual (carbonizado) para producir vapor. Con estos sistemas puede ser posible alcanzar eficiencias mayores al 50%.

Adicionalmente a estas tecnologías limpias, un desarrollo que puede ser aplicado a todos los sistemas de generación es la combustión simultánea con carbón de biomasa o residuos. Esto implica quemar o gasificar dichos materiales con carbón. Entre los beneficios se incluyen la reducción en emisiones de CO2, SOx y NOx, en relación con plantas que queman únicamente carbón y la recuperación de energía útil de biomasa y residuos con alta eficiencia, evitando construir plantas con este propósito. De aquí que la industria de generación de electricidad con carbón puede apoyar las industrias de energía renovable y manejo de residuos.

2.4 Variables o Parámetros del problema

Variables de Entrada :

1. Carbón antracita

Variables de Respuesta:

1. Eficiencia de la caldera

2. Costo de generación de vapor.

3. Especificaciones, características técnicas de la caldera

4. Parámetros de eficiencia de la caldera

Parámetro o requisitos influyentes:

1. Composición Química del Carbón antracita

2. Condiciones de operación de la caldera.

3. Datos nominales de Diseño de la caldera

2.3.4 Marco Conceptual

1. PRINCIPALES PARAMETROS DE OPERACIÓN DE UNA CALDERA

1.1 PRESION NOMINAL Pn

Es la presión máxima de funcionamiento admisible del tambor (domo) de la caldera, cuyos valores son estandarizados. Se mide en la parte superior del domo de la caldera

1.2 PRESION DE REGIMEN, Pr

Es uno de los criterios de clasificación de la caldera, es menor que la presión nominal en 5%, es la presión de la caldera durante su explotación, medida antes del sobrecalentador de calor

1.3 PRESION DE UTILIZACION, Pu

Es la presión del vapor medida a la salida del sobrecalentador

1.4 TEMPERATURA NOMINAL, Tn

Es la temperatura del vapor sobrecalentado medida, a flujo nominal de la caldera, después del regulador de temperatura o, a falta de este, a la salida del sobrecalentador

1.5 TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTACION, Ta

Son valores estandarizados y establecido en función de la presión nominal, es la que se mide a la entrada al economizador, o si falta este componente, a la entrada a la caldera (vaporizador)

1.6 FLUJO NOMINAL, Dn

Es el flujo máximo continuo de vapor que debe asegurar la caldera en funcionamiento permanente, con rendimiento menor que el correspondiente al flujo normal.

1.7 FLUJO NORMAL, D

Es el flujo de vapor correspondiente al funcionamiento de la caldera con rendimiento óptimo, D = 0.8 * Dn

1.8 FLUJO PICO DE VAPOR, Dp

Es el flujo de vapor más elevado que puede producir la caldera en casos excepcionales para un período de funcionamiento de máximo 30 minutos, es igual a Dp = 1.10* Dn

2. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LAS CALDERAS DE VAPOR

2.1 SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR, A (m2)

Es la superficie de la caldera bañada por una parte por los gases de combustión, y por otra parte por el agua y el vapor, es medida por la parte de los gases de combustión.

2.2 FLUJO ESPECIFICO DE VAPOR, ds

Representa el flujo de vapor producido por la superficie unitaria de calentamiento:

ds = D/A (kg vapor / (m2 * h)) tiene valores comprendidos enytre 14 y 80 kg/(m2h)

2.3 RENDIMIENTO TERMICO DE LA CALDERA

Es el porcentaje de la energía contenida por el combustible introducido en el hogar, que se reencuentra en el vapor producido por la caldera, (t = D*(hv – ha) / (mcble * PCI cble)

hv y ha: entalpías específicas del vapor producido por la caldera y del agua de alimentación (kJ/kg)

mcble = consumo horario de combustible, kg/h

PCI cble = Poder Calorífico Inferior del combustible, kJ/kg

2.4 CIFRA DE VAPORIZACION BRUTA, Xb

Definida por el flujo de vapor que se obtiene al quemar un flujo unitario de combustible

Xb = D / mcble (kg vapor /kg cble)

2.6 Diseño De Ejecución

2.6.1 Objeto o material de Estudio

· Caldera pirotubular de generación de vapor empresa TRUPAL S.A.

Datos Técnicos

Capacidad de generación de vapor13 (Ton/hr)

Superficie de calefacción

445(m2)

Presión de diseño

15(Kg/cm2)

Presión de trabajo

14(Kg/cm2)

Presión de prueba

22,5(Kg/cm2)

Combustible

Diesel

Consumo de combustible

3.680(gal/hr)

Eficiencia

65%

- Carbón antracita de la Región La Libertad

Datos Físico-Químicos

PCI

8.300 (Kcal/Kg)

Carbono

83(%)

materias volátiles

3(%)

Cenizas

10(%)

Humedad

3(%)

Fuente: Calderas de vapor, Marcelo Mesny, 2002

2.6.2 Metodología empleada en la selección de soluciones problema.

- Estudio de las propiedades físico-químicas del carbón antracita

- Estudio de los métodos de procesamiento de carbón

- Estudio de diseño de hogares para la combustión

- Estudio del procesote generación de vapor en calderas

- Análisis de costos de generación de vapor utilizando como combustible diesel vs costos de generación de vapor utilizando como combustible carbón antracita

2.6.3 Diseño de la información.

- Población: Calderas de generación vapor

- Muestra: Caldera de generación de vapor de la empresa TRUPAL S.A.

- Tratamiento de Datos: Se aplicará un diseño de comparación simple de los datos obtenidos utilizando como combustible carbón antracita con los datos adquiridos utilizando como combustible diesel.

2.6.4 Diseño de contrastación o validación

- Debido al procesamiento de la información, es bibliográfica.

- Simulación

FIG. AGRUPAMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA CALDERA

CHIMENEA

CONDUCTOS DE AGUA Y VAPOR

EXHAUSTOR GASES RESIDUALES

VENTILADOR AIRE FRESCO

MAMPOSTERIA ROJA Y REFRACTARIA

ESTRUCTURA METALICA

PRECALENTADOR DE AIRE

SOBRECALENTADOR

ECONOMIZADOR

CALDERA DE VAPOR

HOGAR

VAPORIZADOR

EQUIPO

AUXILIAR

ACCESORIOS CONSTRUIDOS CON LA CALDERA

EQUIPO PRINCIPAL

INSTALACION DE GENERACION DE VAPOR

Variable

De

Respuesta

Variable

De

Entrada

Caldera de Generación de vapor

ESTADO INICIAL

Caldera de generación de vapor utilizando como combustible petróleo

ESTUDIO Y ANALISIS DE CALDERAS DE GENERACION DE VAPOR

Parámetros influyentes

ESTADO FINAL

Caldera de generación de vapor utilizando como combustible alternativo carbón antracita

- Parámetros de operación

- Método de utilización

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Augusto Palza BernuyFreddy Guerra Casana

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