Eficiencia de calderas: Casos de estudio y alternativas de mejora

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1 Eficiencia de calderas: Casos de estudio y alternativas de mejora Julián Lucuara Ingeniero Mecánico 1/13

2 Eficiencia de Calderas La eficiencia térmica de una caldera puede ser determinada en forma directa o indirecta. Método Directo: = í í = ( ) (!) Método Indirecto: = "## é Humedad del combustible Calor sensible en gases de combustión Inquemados de combustible Radiación y convección Purgas de vapor Caso típico caldera bagacera. Referencia de distribución de pérdidas en evaluación de eficiencia de caldera bagacera. Humedad combustible + humedad reacción=21.5% Calor en gases = 6.9 % Manejo de aires en la caldera Purgas=3.6% Inquemados=2.5% Otros=1.4% Total pérdidas = 35.9% 2/13

3 Manejo de aires en calderas del sector: Aire disponible para la combustión Esquema de Combustión: Se requiere exceso de aire, usualmente es entre el 20% y 35% de la relación estequiométrica, para lograr condiciones apropiadas de combustión. Bagazo Aire Gases de combustión Carbono Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno Azufre Agua Cenizas Oxígeno Nitrógeno Agua Dióxido de Carbono Monóxido de Carbono Dióxido de Azufre Nitrógeno Agua Cenizas Oxígeno* Relación estequiométrica * Presente en los gases cuando hay exceso de aire en la combustión Propuesta de Indicador para calificar el manejo del aire en la caldera: Generación de vapor Combustible (Bagazo) Aire para combustión Aire primario Aires secundarios 3/13

4 Casos de eficiencia de calderas Se han evaluado la eficiencia de combustible en diferentes calderas del sector, observando aspectos como: Manejo de aires Calidad de combustibles Posibilidades de mejora Caso de estudio 1 Evaluación eficiencia en calderas 3 y 4, cambiando proporción de combustibles empleados. Caso de estudio 2 Evaluación eficiencia caldera bajo condiciones operacionales normales. Caso de estudio 3 Evaluación eficiencia cambiando proporción de combustibles empleados. 4/13

5 Metodología Se realiza medición del agua de alimentación de la caldera durante el periodo de evaluación: Estimación del vapor generado. Se realizan medición de composición de gases de combustión en la salida del banco principal de tubos, cada 10 min durante la evaluación de la caldera. Se toman muestras del combustible empleado en la caldera cada 20 min, y se caracteriza en términos de humedad, cenizas y poder calorífico. Se recolectan muestras de cenizas debajo de parilla y cenizas volantes cada 20 min y se caracterizan en términos de poder calorífico. Medición de agua. Muestras de combustible Medición de gases 5/13

6 Caso de Estudio 1 Evaluación de la eficiencia de las calderas variando la proporción entre bagazo y carbón. Escenarios Evaluados: Parámetros constantes Flujos y distribución de aire Generación de vapor Presión y temperatura. Parámetros variables Bagazo 80% Carbón 20% Bagazo 90% Carbón 10% Disminución de la eficiencia de la caldera antes escenarios de cambio de proporción del combustible. Elevados excesos de aire para escenarios 80% bagazo 20% carbón y mejoramiento del la relación aire combustible ante la disminución de carbón. 6/13

7 Caso de Estudio 2 Excesos de aire en la combustión. A Condición de operación B CO O2 CO2 [ppm] [%] [%] Promedio Des. Estándar Coef. variación 41.38% 4.33% 5.59% Excesos de aire promedio: 102% Sensibilidad de la eficiencia de la caldera a diferentes poderes caloríficos en bagazo y variaciones de: - Temperatura de gases de combustión (A). - Excesos de aire (B) 7/13

8 Caso de Estudio 3 Mezcla no apropiada de aire y combustible Aire Apropiado: O 2 : 6.5% Exceso aire: 40% CO: >1500 ppm AP/VV: 1.08 Eficiencia: 65.1% Déficit de aire: O 2 : 2% 3% Exceso aire:15% CO: < 4800 ppm AP/VV: 0.99 Eficiencia: 64.3% El incremento de un (1%) punto de eficiencia térmica en la caldera del ingenio analizado, representa el ahorro de 0.6 t/h de bagazo. Precio del bagazo: $/t Horas de funcionamiento: 7000 h/año Valor ahorrado: $ /año 8/13

9 Distribución y cantidad de aire en el hogar Un manejo adecuado de los aires en el hogar, favorecen la combustión, tiempos de residencia, velocidad de los gases (desgaste), etc. Aire Forzado: Aire suministrado a la caldera con el objetivo de favorecer la suspensión del combustible en el hogar Aire sobre-fuego: Aire encargado de favorecer fenómenos de turbulencia en el hogar para mejorar la combustión. Aire terciario: Aire suministrado para retener partículas en suspensión y evitar circulación de estas a través de los bancos de tubos. Zona Laminar Aire terciario Zona Turbulenta Aire Sobre-fuego Aire forzado 9/13

10 Manejo de aires en calderas: Modelación en CFD. Flujo laminar Velocidad en ducto Turbulencia Distribución: 70% Forzado 20% Secundario 10% terciario Aire forzado Aire Secundario Aire Terciario % Exceso de aire Velocidad en ducto (m/s) Presión en el hogar (Pa) 0% % 11,63-34,65 30% 18, Velocidad límite para evitar la erosión de los tubos por material particulado en los gases: 15 m/s. El ingenio tiene evidencia de daños en tubos de calentador de aire (dic-12). 10/13

11 Manejo de aires en calderas: Modelación en CFD Actual Opción 1 Opción 2 Opción 3 Opción 4 Intervenciones estructurales sobre la cantidad y posición de entradas de los diferentes aires Velocidad en ducto (m/s) Tiempo de residencia (min) Longitud recorrida (m) Actual 18,46 10, ,4 Opción 1 14,405 8, ,3 Opción 2 12,00 13, ,54 Opción 3 9,89 10, ,57 Opción 4 10,35 9, ,25 Distribución de aires: 70% Forzado, 25% secundario, 5% Terciario. Aumento en los tiempos de residencia y disminución de la velocidad de los gases favoreciendo la transferencia de calor y evitando desgaste erosivo. 11/13

12 Manejo de aires en calderas: Modelación en CFD Posibles ejecutores y justificación de la inversión en modificaciones Condición de operación objetivo, bajo modificaciones de distribución espacial de ingresos de aire Justificación: Caso 1 Hasta 2.5% eficiencia Ingenios con futuras calderas nuevas: Ingenio La Cabaña. Ingenio Riopaila-Castilla(Planta Riopaila). o o Ahorro de combustible por aumento de eficiencia hasta de 0.6 t/h por punto porcentual de eficiencia. Ahorros hasta de $ /año que pagarían la inversión en la adecuación. La adquisición de nuevas calderas de mayor capacidad permiten sacar de operación las actuales e intervenir las que se planea mantener disponibles para hacer los cambios propuestos. 12/13

13 Manejo de aires en las calderas del sector: Resumen Suministrar la cantidad controlada de aire requerida para favorecer la combustión implica: o o o Menor contenido de oxígeno y menor temperatura de los gases de combustión representa menos pérdidas de calor y una mayor eficiencia del equipo. Menor velocidad de los gases de combustión reduce la acción erosiva sobre los bancos de tubos por presencia de cenizas y favorece el tiempo de residencia de los gases. Menores consumos de energía en los ventiladores de aires primarios, secundarios y ventilador de tiro inducido. Proyecciones Modelar(CFD) el efecto de la ubicación, proporción y temperatura de suministro de aires secundarios al interior del hogar de la caldera. Proponer estrategias de control apropiadas al manejo de aires secundarios en calderas del sector, según el tipo de combustible empleado. 13/13

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