UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ZONA POZA RICA - TUXPAN

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ZONA POZA RICA - TUXPAN RECUPERACIÓN DE CALOR DE GASES DE COMBUSTIÓN Y REDUCCIÓN DE EMISIONES TESIS PARA APROBAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL EN EL PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA P R E S E N T A: NAYELI JAMILET SUÁREZ HERNÁNDEZ REYNA TORRES TELLES ASESOR MTRA. GLORIA BOCARDI PÉREZ POZA RICA, VER. JUNIO 2012

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5 RESUMEN OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS HIPÓTESIS ÍNDICE Página i ii ii iii INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO Calderas de condensación Funcionamiento de las calderas de condensación Poder calorífico inferior (PCI) y poder calorífico superior (PCS) Rendimiento de las calderas de condensación superior al 100 % Calor por condensación (calor latente) Pérdida por los vapores (calor sensible) Tipos de calderas de condensación Los beneficios de la condensación El aspecto medioambiental y la reducción de contaminantes 1.2 Combustibles Combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles líquidos no derivados del petróleo Combustibles gaseosos 1.3 Reducción de emisiones Impacto ambiental 1.4 Costos de combustible y energía Costo de generación de vapor en calderas

6 CAPITULO II METODOLOGÍA Página 2.1 Descripción del método 18 CAPITULO III RESULTADOS 3.1 Resultados generales 23 CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS

7 ÍNDICE DE FIGURAS Número Contenido 1.1 Comparación de las calderas actuales con las calderas a gas por condensación 1.2 Representación de la estructura de una caldera suelo 1.3 Representación de la estructura de una caldera mural 1.4 Factores de costo por 454 kg de vapor 2.1 Diagrama de a metodología propuesta para un sistema de recuperación de calor 3.1 La recuperación eficiente de calor por condensación 3.2 La recuperación de calor da la unidad es más que suficiente para calentar agua de alimentación a una caldera Página

8 ÍNDICE DE TABLAS Número Contenido 1.1 Factores de costos promedio vapor 3.1 Uso de figuras del apéndice A y B Página 15 26

9 Resumen RESUMEN Para determinar la eficiencia para la recuperación de calor de una caldera alimentada con petróleo y otra con gas se inicia con la elaboración de un diagrama típico para un sistema de recuperación de calor del gas; procediendo a determinar la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación, se efectúa el procedimiento propuesto para el cálculo de eficiencia apoyándose en las tablas del anexo A para determinar la eficiencia básica. Consultando el anexo B se calcula el factor F (eficiencia) donde este factor depende de la temperatura de salida del gas de combustión. Con respecto al gas de combustión se toma la temperatura de salida del gas de la chimenea en la parte inferior del grafico y se impacta con la curva del combustible a la temperatura de entrada de gas de combustión. Posteriormente se calcula la eficiencia real y se procede a estimar el costo del equipo de recuperación de calor por condensación así como elaborar una propuesta de un sistema de recuperación de calor por condensación. i

10 Objetivos Objetivo General El objetivo de este trabajo es determinar la eficiencia de una caldera de condensación a partir del uso de dos combustibles distintos (gas y petróleo) así como plantear una metodología para el cálculo de recuperación de calor. Objetivos Específicos Elaborar el diagrama típico de un sistema de recuperación de calor Determinar la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación. Estimar el costo del equipo de recuperación de calor por condensación ii

11 Hipótesis HIPÓTESIS Se podrá determinar la eficiencia de una caldera de condensación en base al análisis de dos combustibles distintos en el aspecto de ahorro energético y la reducción de emisiones iii

12 Introducción INTRODUCCIÓN Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, tienen uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, dentro de estos procesos el ahorro de energía es importante debido a que el ahorro energético produce un ahorro económico y un menor impacto ambiental. Las calderas de condensación son calderas de alto rendimiento, basado en el aprovechamiento del calor de condensación de los humos de la combustión. Esta aprovecha el vapor de agua que se produce en los gases de combustión y lo devuelve en estado líquido. La utilización de una caldera de esta clase permite recuperar una parte muy grande de ese calor latente y esta recuperación de la energía reduce considerablemente la temperatura de los gases de combustión, limitando así las emisiones de gas contaminantes. La eficiencia de recuperación de calor de estas calderas depende de muchos factores entre los principales se encuentran: del contenido de hidrógeno combustible, de la temperatura de salida del gas de combustión de la caldera, de la temperatura del agua de rociado (proceso), de la cantidad de calor necesario de bajo nivel, del contenido de humedad del combustible y de la humedad del aire de combustión. Los cuatro primeros elementos son de máxima importancia para calderas que consumen gas, petróleo y carbón. El objetivo de este trabajo es determinar la eficiencia de una caldera de condensación a partir del uso de dos combustibles distintos (gas y petróleo) así como plantear una metodología para el cálculo de recuperación de calor. Dicho trabajo desarrolla en el capítulo uno el marco teórico donde se describen las calderas de condensación, su funcionamiento, el poder calorífico, rendimiento así como los tipos de calderas y sus beneficios, además se describe los principales combustibles y sus características, en el aspecto ambiental se describe la reducción de emisiones, costos de combustible, energía y la generación de vapor. En el segundo capítulo de describe la metodología para el cálculo de la eficiencia de una caldera de condensación, en el cual se proponen tres pasos: Elaboración 1

13 Introducción del diagrama típico de un sistema de recuperación de calor, determinación de la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación y la estimación de costos de equipos de esta clase. En el capítulo tres se presentan los resultados obtenidos en la comparación de la utilización de dos combustibles diferentes (gas y petróleo) y la eficiencia obtenida de los mimos así como una estimación de los costos que generaría un equipo de este tipo dependiendo de su capacidad. Por último se presentan las conclusiones y la bibliografía. 2

14 CAPÍTULO I Marco Teórico CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1 Calderas de condensación Las calderas de condensación son calderas de alto rendimiento, basado en el aprovechamiento del calor de condensación de los humos de la combustión. Esta aprovecha el vapor de agua que se produce en los gases de combustión y lo devuelve en estado líquido. Con una caldera clásica de tipo atmosférico, una parte no despreciable del calor latente es evacuada por los humos, lo que implica una temperatura muy elevada de los productos de combustión del orden de 150 C. La utilización de una caldera de condensación permite recuperar una parte muy grande de ese calor latente y esta recuperación de la energía reduce considerablemente la temperatura de los gases de combustión para devolverle valores del orden de 65 C limitando así las emisiones de gas contaminantes. En comparación con las calderas convencionales, gracias a esta tecnología se consigue un ahorro de hasta el 30% en el consumo de energía y se reducen, hasta en un 70%, las emisiones de óxido de nitrógeno (NO x ) y dióxido de carbono (CO 2 ) Funcionamiento de las calderas de condensación El proceso de condensación es un cambio de fase de una sustancia del estado gaseoso (vapor) al estado líquido. Este cambio de fase libera una cierta cantidad de energía llamada "calor latente". El paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura. La condensación, a una temperatura dada, conlleva una liberación de energía, así el estado líquido es más favorable desde el punto de vista energético para calentamiento. 3

15 CAPÍTULO I Marco Teórico Poder calorífico inferior (PCI) y poder calorífico superior (PCS) El poder calorífico inferior (PCI) indica la cantidad de calor que se puede producir con una cierta cantidad de combustible (sólido, líquido o gaseoso). Con este valor de referencia los productos de combustión están disponibles en estado gaseoso. El poder calorífico superior (PCS) contiene en comparación con el poder calorífico inferior un porcentaje de energía añadido en forma de calor por condensación de vapor de agua, el llamado "calor latente" Rendimiento de las calderas de condensación superior al 100 % La caldera de condensación debe su denominación al hecho de que, para producir el calor, utiliza no sólo el poder calorífico inferior (PCI) de un combustible sino también su poder calorífico superior (PCS). Utilizando el PCI para describir una caldera de gas de condensación, conseguimos rendimientos superiores a 100 gracias a la restitución del calor latente que representa el 11 %. Este método representa solo el medio de comparación entre las calderas clásicas y las calderas de condensación. Con relación a las calderas modernas a temperatura baja, es posible obtener rendimientos superiores del 15 %. Con relación a las instalaciones antiguas, los ahorros de energía pueden alcanzar el 40 %. La figura 1.1 se muestra una comparación de la utilización de energía de las calderas. Figura Comparación de la utilización de energía de las calderas actuales con temperatura baja con la de las calderas a gas por condensación. Fuente: CONUEE,

16 CAPÍTULO I Marco Teórico Calor por condensación (calor latente) Con gas natural, la parte de calor por condensación es el de11 % con relación al PCI. Este valor queda inutilizado sobre las calderas a baja temperatura. La caldera de gas por condensación permite la utilización continua de este potencial de calor, gracias a la condensación del vapor de agua Pérdidas por los vapores (calor sensible) De las calderas a baja temperatura sale vapor a temperaturas relativamente elevadas entre 150 y 180ºC, produciéndose así una pérdida de calor de alrededor del 6 al 7 %. La disminución importante de la temperatura del vapor sobre las calderas de condensación a gas (temperaturas que pueden descender hasta 30ºC) permite la utilización de la parte de calor sensible del gas de combustión y reduce de manera importante las pérdidas por vapor Tipos de calderas de condensación Las calderas de condensación pueden ser de distintos tipos según contengan el sistema de enfriamiento de los productos de combustión (el condensador) integrado en la caldera o separado de ella. Con el fin de explotar el calor latente del vapor de agua contenido en los gases de combustión, estos últimos deben ser enfriados hasta una temperatura por debajo del punto de rocío. Las figuras 1.2 y 1.3 muestran la estructura de una caldera suelo y una caldera mural, respectivamente. 2 5

17 CAPÍTULO I Marco Teórico Figura Representación de la estructura de una caldera suelo. Fuente: CONUEE, Figura 1.3.-Representación de la estructura de una caldera mural. Fuente: CONUEE, Los beneficios de la condensación La principal ventaja de las calderas de condensación es que produce agua caliente a baja temperatura (40-60 C), con un alto rendimiento. Como se ha explicado, el rendimiento de estas calderas resulta ser superior al 100% (medido en las condiciones tradicionales, sobre el poder calorífico inferior). Sobre el poder calorífico 6

18 CAPÍTULO I Marco Teórico superior (teniendo en cuenta el calor latente del agua) es, por supuesto, un rendimiento inferior al 100%. Como consecuencia de la menor temperatura del agua preparada, los emisores finales del calor deben tener mayor superficie de intercambio (radiadores más grandes) o ser de baja temperatura (suelos radiantes o calefacción por aire). En definitiva, permite obtener una cantidad de calor mayor a igualdad de combustible quemado, con un ahorro evidente El aspecto medioambiental y la reducción de contaminantes En respuesta a la conciencia internacional de los efectos nefastos sobre el medio ambiente vinculados a la actividad humana, los diferentes representantes de los países industriales así como de los países en vías de desarrollo, se reunieron en Kyoto en 1997 para definir un plan de acción con el fin de limitar las emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero, que contribuyen al proceso de recalentamiento del planeta. Con relación al rendimiento de las calderas clásicas, la utilización de una caldera de condensación se traduce en un aumento del rendimiento del orden del 15%. Esto permite un consumo inferior para un grado de confort idéntico, y la reducción de los gases contaminantes en los productos de combustión en el momento de la fase de condensación Combustibles Combustibles sólidos Carbón El carbón se originó a partir de los restos en descomposición interrumpida de árboles, arbustos, helechos, musgos, lianas y otras formas de vida vegetal, que florecieron en lodazales y pantanos enormes, hace muchos millones de años, durante periodos prolongados de clima húmedo y tropical y precipitaciones pluviales 7

19 CAPÍTULO I Marco Teórico abundantes. El precursor del carbón fue la turba, que se formó mediante la acción bacteriana y química sobre los desechos de plantas. Las acciones subsiguientes del calor, la presión y otros fenómenos físicos transformaron la turba para convertirla en las diversas clases de carbón que se conocen en la actualidad. Debido a los diversos grados de cambios metamórficos durante este proceso, el carbón no es una sustancia uniforme; no hay dos carbones que sean iguales en ningún aspecto. 1 La composición del carbón se da en general de dos modos distintos, el análisis aproximado y el final, expresados en porcentaje de peso. El análisis aproximado es la determinación por métodos prescritos de la humedad, la materia volátil, el carbono fijo y las cenizas. La humedad total en el carbón se compone de humedad inherente o ligada y humedad de libre. La humedad inherente, conocida también como ligada o de equilibrio, existe como un indicativo de la calidad del carbón en su estado natural. La humedad libre denominada también superficial, es la parte total de la humedad total que se pierde cuando el carbón es secado con aíre en condiciones estándar. La materia volátil es la porción del carbón que, cuando se calienta en ausencia de aire, en condiciones prescritas, se libera en la forma de gases y vapores. En el carbón no existe materia volátil por sí misma con excepción de un poco de metano absorbido, pero se produce debido a la descomposición térmica de las sustancias del carbón. Las cenizas son los residuos inorgánicos que permanecen después de que se quema el carbón en condiciones especificadas y se compone en gran parte de compuestos de silicio, aluminio, hierro y calcio y cantidades pequeñas de compuestos de magnesio, sodio, potasio y titanio. Las cenizas pueden variar considerablemente a partir de la materia mineral original, que en su mayor parte son caolinita, ilita, montmorilonita, cuarzo, piritas y yeso. 8

20 CAPÍTULO I Marco Teórico Coque Es el material infusible, sólido y celular que queda después de la carbonización del carbón, alquitrán, residuos de petróleo y varías otros materiales carbonáceos. Coque inferior El coque inferior o carbón pirolizado es el residuo no fusible ni aglomerado del tratamiento térmico de materiales carbonáceos sólidos. Los coques inferiores de carbón se obtienen como residuo o un coproducto de los procesos de carbonización abaja temperatura y de procesos que se están desarrollando para convertir el carbón en combustibles líquidos y gaseosos y productos químicos. Esos coques inferiores tienen un poder calorífico importante. La cantidad neta de coque inferior de un proceso de conversión varía mucho; en algunos casos puede representar entre 30 y 55% del peso del carbón alimentado; entre otros, no se produce coque inferior neto o de exceso, o sea que todo el rendimiento de ese coque se consume como combustible en la planta. Madera Los poderes caloríficos superiores son de x 10 3 J/kg de madera dura secada en estufa y X 10 3 J/kg de madera suave secada en estufa. Turba La turba es materia vegetal parcialmente descompuesta que se acumula bajo el agua o en lugares muy saturados de humedad. Es precursor del carbón pero no está clasificada como tal. La turba se vende como "turba de musgo" o "musgo de turba" y se emplea en la actualidad en Estados Unidos, en forma principal, para aplicaciones de horticultura y agricultura. Aunque hay mucha variación respecto a los análisis de este material, una turba de alto grado tiene un porcentaje típico de 90% de agua, 3%de carbón fijo, 5%de materia volátil, 1.5% de cenizas y 0.10% de azufre, El poder calorífico del material libre de humedad es aproximadamente x 10 3 J/kg(9000 Btu/lb). 9

21 CAPÍTULO I Marco Teórico Carbón vegetal El carbón vegetal es el residuo que queda después de la destilación destructiva de la madera. Absorbe humedad con facilidad, y contiene a veces hasta 10 a 15% de agua. Además, suele tener aproximadamente de 2 a 3% de cenizas y de 0.5 a 1.0% de hidrógeno. El poder calorífico del carbón vegetal es de aproximadamente x 10 3 a x 10 3 J/kg ( a Btu/lb). Cortezas de curtiduría Son los residuos que quedan después de que se utilizan las cortezas en operaciones de curtidos. Contiene por lo común de 60 a 70% de agua y un poder calorífico de 5815 x 10 3 a 6978x 10 3 J/kg (2500 a 3000 Btu/lb). Bagazo Es el residuo sólido que queda cuando se tritura la caña de azúcar mediante rodillos de presión. Suele contener de 40 a 50% de agua. El bagazo seco tiene un poder calorífico de x 10 3 a x 10 3 J/kg (8000 a 9000 Btu/lb). Otros desechos sólidos y biomasa El poder combustible de la mayor parte de los desechos sólidos suele ser suficiente para permitir la combustión auto sostenida, dejando sólo los residuos sin combustibles, reduciendo el volumen de los desechos que se entierran finalmente en terraplenes sanitarios, en sólo 10 a 15%del volumen original. El calor liberado por la combustión de desechos se puede recuperar y utilizara un cuando el costo de los equipos de recuperación o la distancia hasta algún punto adecuado de uso del calor, pueden hacer que dicha recuperación del calor no resulte factible desde el punto de vista económico Combustibles líquidos Los principales combustibles líquidos derivados del petróleo se obtienen mediante la destilación fraccionada del petróleo crudo (una mezcla de hidrocarburos y derivados 10

22 CAPÍTULO I Marco Teórico de hidrocarburos que se encuentra en el intervalo del metano hasta compuestos bituminosos pesados). Desde un cuarto y hasta la mitad de las moléculas del petróleo crudo pueden contener átomos de azufre y, algunas, contienen nitrógeno, oxígeno, vanadio, níquel o arsénico. Algunas fracciones escogidas se pueden someter a la desulfurización, la hidrogenación, descomposición térmica (a un peso molecular más bajo) y otros procesos de refinación, antes de mezclarse y venderse como combustibles Combustibles líquidos no derivados del petróleo Arenas de alquitrán La arena de alquitrán canadiense es explotada a cielo abierto y extraída con agua caliente para recuperar el aceite pesado betún). El aceite se procesa para obtener nafta, queroseno y fracciones de gasolina, que son hidrotratadas posteriormente, además del gas que se recupera. Esquisto de aceite El esquisto de aceite es una roca no porosa que contiene queroseno orgánico. El aceite de esquisto crudo se obtiene por pirolisis en una retorta superficial después de la extracción en lámina o después de tratar la roca con explosivos. Mediante la desintegración por pirolisis del queroseno, se obtiene el aceite de esquisto crudo con alto contenido de nitrógeno, oxígeno-y azufre Combustibles gaseosos Gas natural El gas natural es un gas combustible que se obtiene de rocas porosas del interior de la corteza terrestre y se encuentra mezclado con el petróleo crudo cerca de yacimientos del mismo. Como se trata de un gas, puede encontrarse sólo en 11

23 CAPÍTULO I Marco Teórico yacimientos separados. La manera más común en que se encuentra este combustible es atrapado entre el petróleo y una capa rocosa impermeable. En condiciones de alta presión se mezcla o disuelve en aceite crudo. 7 Gas natural licuado (LNG) Las ventajas de almacenar y embarcar el gas natural en forma licuada se derivan del hecho de que 0.03 m 3 de metano líquido es aproximadamente igual a 18 m 3 de metano gaseoso. El calor de vaporización del LNG a 1 bar de presión es aproximadamente 300 J/m 3. El LNG se almacena dentro de tanques de concreto pre esforzado o de paredes metálicas' dobles, almacenaje en tierra congelada o en cavernas o canteras de extracción. Gas licuado de petróleo (LPG) El término "gas licuado de petróleo" se aplica a ciertos hidrocarburos específicos que se pueden licuara presiones moderadas y temperaturas normales, pero que son gaseosos en condiciones atmosféricas normales. Los principales constituyentes del LPG son propano, propileno, butano, butileno e isobutano, mezclados en cualquier proporción o con aire. El LPG producido en la separación de hidrocarburos más pesados o más densos del gas natural se encuentra primordialmente en la serie parafinica(saturada). El LPG derivado del gas de refinería petrolera puede contener cantidades bajas variables de hidrocarburos olefínicos(insaturados). Estos gases se utilizan mucho para servicios domésticos y se proporcionan en tanques o mediante 'líneas de tuberías. Se usan también para aumentar las entregas de gas natural en los días de alto consumo y en algunas industrias, como combustibles de remplazamiento. Gas reformado Aunque aplicable a cualquier gas transformado mediante un tratamiento adecuado el término "reformado" se aplica por lo común a gases de poder térmico más bajo, obtenidos mediante pirolisis y la descomposición de vapor de gases de alto poder térmico como el gas natural, el propano, el butano o el gas de refinería petrolera. 12

24 CAPÍTULO I Marco Teórico Gas de hornos de fundición Este gas es un subproducto de la fabricación de hierro en lingotes en los hornos de fundición y se utiliza en general con fines de calentamiento dentro de las plantas. El poder calorífico de aproximadamente 3.2 MJ/m 3 (90 Btu/ft 3 ) es demasiado bajo para su venta a terceros. Acetileno El acetileno se utiliza primordialmente en operaciones que requieren una temperatura elevada de llama, como el corte de metales y la soldadura. Para transportar el acetileno, se disuelve en acero a presión y se introduce en pequeños recipientes que se llenan de material poroso. Hidrógeno Se usa primordialmente para la producción de amoniaco y productos químicos, en la hidrogenación de grasas y aceites y como atmósfera reductora en los hornos, y se emplea en forma limitada como combustible con algunos fines industriales especiales, como los de corte y soldadura. Se produce industrialmente mediante la electrólisis del agua, la desintegración térmica del gas natural y otros hidrocarburos y por reacciones de reforma de vapor. El hidrógeno está recibiendo atención considerable, debido a que se trata de un gas combustible no contaminante Reducción de emisiones Impacto ambiental Uno de los principales impactos ambientales se encuentra en el sector energía, y es generado debido a la incidencia de los contaminantes producidos por la combustión de combustibles. 6 13

25 CAPÍTULO I Marco Teórico En mayor o menor grado, la extracción, producción, transporte y consumo de energía produce alteraciones medioambientales, afectando también la vida y desarrollo del ser humano. 1.4 Costos de combustible y energía Los costos de combustibles varían mucho de unas zonas a otras, debido al costo mismo del combustible y al de los transportes. Cualquier comparación significativa de costos entre combustibles exigiría los costos actuales basados en las cantidades utilizadas en un lugar geográfico determinado, las eficiencias de utilización o datos sobre los índices de energía para los equipos que se utilizan, los efectos del "valor de la forma". Se ejemplifica de la siguiente manera el uso de combustible: Para una caldera de 300 hp, que opera con gas natural, con un periodo de operación diaria de 10 hrs durante los 365 días al año. Consumo de gas natural Ref. El costo de combustible para calderas depende del tipo de recurso energético que se esté utilizando debido a que existen una gran variedad de calderas las cuales utilizan diferentes combustibles Costos de generación de vapor en calderas Este costo dependerá de muchos factores entre los más importantes se encuentran los siguientes: tipo de combustible, su costo unitario, la eficiencia de la caldera, la temperatura del agua de alimentación y la presión del vapor. La tabla que se muestra a continuación representa los costos promedios de vapor. 3 14

26 CAPÍTULO I Marco Teórico Tabla 1.1- Factores de costos promedio vapor. Factores de costos promedio de vapor Combustible 74% Químicos 0.50% Agua 0.75% Purgas 1.50% Electricidad 2.50% Equipo 9.75% Mantenimiento 10% Fuente: CONUEE, Mantenimiento, 10% Electricidad, 2.50% Agua, Purgas, 0.75% 1.50% Equipo, 9.75% Quimicos, 0.50% Combustible, 74% Figura Factores de costo por 454 kg de vapor El combustible aplicable al vapor que se produce en calderas estará en función del consumo específico de combustible. 15

27 CAPÍTULO I Marco Teórico Se obtiene conforme a la siguiente ecuación 1.1. En donde: CEC : Consumo Específico de Combustible en kg o m 3 de combustible/kg de vapor (kg/kg o m 3 /kg) h 1: h 2: entalpía del agua de alimentación de la caldera (kj/kg). entalpía del vapor a la salida de la caldera (kj/kg). PCI : poder calorífico inferior del combustible (kj/kg) o kj/m 3 : eficiencia de la caldera o generador de vapor. Los costos del vapor debido al combustible se pueden calcular en base al costo unitario del mismo como: En donde: C v: Costo unitario del vapor, considerando exclusivamente el combustible ($/Ton). CEC: Consumo Específico del Combustible (kg o m 3 ). F A : costo unitario del combustible ($/kg o $/m 3 ) En base al costo energético del combustible los costos del vapor se pueden calcular conforme a la siguiente expresión: 16

28 CAPÍTULO I Marco Teórico En donde: C v : costo unitario del vapor, considerando exclusivamente el combustible ($/Ton). h 1 : entalpía del agua de alimentación de la caldera ( kj/kg). h 2 : entalpía del vapor a la salida de la caldera ( kj/kg). F: costo unitario energético del combustible ($/GJ). : Eficiencia de la caldera o generador de vapor. 17

29 CAPÍTULO II Metodología CAPÍTULO II METODOLOGÍA 2.1 Descripción del método Para determinar la eficiencia para la recuperación de calor de una caldera alimentada con petróleo y otra con gas se procede a: 1.-Elaborar un diagrama tipico de un sistema de recuperacion de calor Del anexo A determinar la eficiencia básica. Descripcion del mètodo 2.-Determinar la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación Consultar el anexo B para el cálculo del factor F (eficiencia) Encontrar la eficiencia real. 3. Estimar el costo del equipo de recuperación de calor por condensación Del anexo C, consultar los costos estimados Figura Diagrama de a metodología propuesta para un sistema de recuperación de calor. 1. Elaborar el diagrama típico de un sistema de recuperación de calor. Se procede a elaborar un diagrama típico de recuperación de calor para un sistema de recuperación de calor del gas de una chimenea con las siguientes características: El gas de combustión de la caldera entra al intercambiador de calor a una elevada temperatura. El agua de rociado en el intercambiador de calor absorbe calor del gas de combustión y pasa por un intercambiador de calor externo secundario. El agua de alimentación de la caldera, que circula por el intercambiador de calor secundario, es calentada por el agua caliente del intercambiador de calor. 18

30 CAPÍTULO II Metodología El fluido calentado se puede emplear para otras aplicaciones, además de agua de alimentación para calderas y calentadores de equipo. El calor sensible y latente cedido se transfiere al agua de rociado. Como esta agua de enfriamiento puede ser contaminada por el gas de combustión, se puede emplear un intercambiador de calor secundario. Cuando el combustible de la caldera es gas natural de combustión limpia, el agua de rociado se puede usar directamente, sin un intercambiador de calor secundario. Como puede haber contaminación de SO 2 en el gas de combustión, se necesita realizar un análisis posterior del agua de enfriamiento. 2. Determinar la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación. La ganancia de eficiencia es una función del contenido de hidrógeno combustible, de la temperatura de salida del gas de combustión de la caldera, de la temperatura del agua de rociado (proceso), de la cantidad de calor necesario de bajo nivel, del contenido de humedad del combustible y de la humedad del aire de combustión. Los cuatro primeros elementos son de máxima importancia para calderas que consumen gas, petróleo y carbón. La baja eficiencia para calderas alimentadas con petróleo se debe generalmente al menor contenido de hidrógeno en el combustible, pero observe que cuando el costo del petróleo es más alto que el gas natural, el ahorro en dinero puede ser mayor. Las tablas de mejora de eficiencia suponen que se puede usar todo el calor de bajo nivel generado. Un ingeniero de planta, que conoce el equilibrio de energía de la planta, está en la mejor posición para seleccionar el óptimo nivel de recuperación de calor. Las aplicaciones típicas son: precalentar agua de relleno, carga de procesos a baja temperatura, calefacción de espacios y agua caliente para uso doméstico. 19

31 CAPÍTULO II Metodología Las necesidades de precalentamiento de agua de relleno dependen principalmente de la cantidad de condensado que es devuelto a la caldera. Por lo general, hay más calor disponible en el gas de combustión del que se puede usar para precalentar el agua de alimentación. Si la caldera opera al 100 por ciento de agua de relleno, sólo alrededor del 60 por ciento del calor disponible se puede pasar al agua de alimentación de entrada. Una razón para esto es la baja temperatura del agua caliente. Esta limitación se puede manejar de dos formas: Diseñar la unidad de recuperación de calor a para tomar una corriente de escape del gas de combustión y sólo recuperar la cantidad de calor que se pueda usar para calentar agua de alimentación. En plantas de múltiples calderas, instalar un sistema de recuperación de calor en una caldera solamente y usarlo para precalentar el agua de alimentación de todas las otras calderas. El agua caliente de procesos, si es necesaria, puede proporcionar tiempos de amortización sumamente cortos para una unidad de condensación de recuperación de calor Procedimiento propuesto para el cálculo de eficiencia. Del anexo A determinar la eficiencia básica Se considera en este punto de la metodología la temperatura de entrada del gas combustión en la parte inferior del grafico y se impacta avanzando a la curva de alimentación con gas y leyendo en el eje izquierdo Consultar el anexo B para el cálculo del factor F(eficiencia)donde este factor depende de la temperatura de salida del gas de combustión. 20

32 CAPÍTULO II Metodología Con respecto al gas de combustión se toma la temperatura de salida del gas de la chimenea en la parte inferior del grafico y se impacta con la curva del combustible a la temperatura de entrada de gas de combustión Encontrar la eficiencia real a partir de: 3. Estimar el costo del equipo de recuperación de calor por condensación. Los costos de operación son básicamente por consumo de energía para ventilador y bomba. Estos costos por lo general oscilan entre 5 y 10 por ciento del valor del calor recuperado. La cifra inferior se aplica a la distribución limitada del agua caliente, en tanto que la superior se aplica a sistemas donde el agua caliente se distribuye a 100 ft (30.5m) o más de la caldera, o cuando se usan unidades de recuperación de calor de caída de alta presión. La corrosión de una unidad de recuperación de calor por condensación se evita por lo general si se utiliza acero inoxidable tipo 304 o 316, o plástico reforzado con fibra de vidrio, para la bomba de la torre y el intercambiador secundario. Si el gas de combustión es anormalmente corrosivo, puede ser aconsejable hacer un análisis químico antes de planear la unidad de recuperación. Procedimiento propuesto para la estimación de costos Del anexo C, consultar los costos estimados Considerando la capacidad de la caldera de condensación que se está manejando e impactando sobre las curvas de costo de equipo y de instalación, así como la cantidad de calor recuperada y así estimar el ahorro económico y energético obtenido. 21

33 CAPÍTULO II Metodología Una característica excepcional de la recuperación de calor por condensación es que recupera energía al tiempo que también reduce emisiones. Además, cuando se quema gas natural, un pequeño porcentaje de las emisiones de, se reducen por condensación de óxidos de nitrógeno. En lo referente al potencial reducción de emisiones puede tener un efecto importante en regiones no colonizadas y podría aumentar la capacidad permisible de plantas, pero debe señalarse que la reducción en las emisiones de por depuración y condensación no ha sido comprobada por pruebas independientes. Tales pruebas deben ser preparadas para cualquier instalación que depende de la reducción de emisiones para su justificación. Las emisiones de se pueden reducir de modo considerable si se usa aspersor de agua alcalina en un urden de ph de 6 a 8. El gas natural reduce la capa de ozono menos que otros combustibles Fósiles 22

34 CAPÍTULO III Resultados CAPÍTULO III RESULTADOS 3.1 Resultados Generales Una caldera de BTU/h (9376 MW) nominales, alimentada con gas natural, debe calentar agua de admisión con sus gases de combustión en un intercambiador de calor, de 60 F (15.6 C) a 80 F (26.7 C) de temperatura de salida. El gas de combustión entra por la chimenea de la caldera y el intercambiador de calor a 450 F (232 C) y sale a 100 F (37.8 C). En la determinación de la mejora de eficiencia para la recuperación de calor, se comprueba el incremento de eficiencia de una caldera alimentada con petróleo, que tiene una temperatura de entrada del gas de combustión de 300 F (148.9 C) y un intercambiador similar de calor. a) Se dibujó el diagrama típico de un sistema de recuperación de calor Donde el gas de combustión de la caldera puede entrar al intercambiador de calor a temperaturas de 300 F (148.9 C), y salir de 100 a 120 F (37.8 a 48.9 C). La figura 3.1 muestra el diagrama típico de un sistema de recuperación de calor por condensación en el cual existe contacto directo entre el gas de combustión, el medio de enfriamiento. 23

35 CAPÍTULO III Resultados Intercambiador de calor por contacto directo Salida de gas de chimenea F (38-43 C) F (32-53 C) Agua condensada de drenaje Relleno de agua de alimentación 50-60F Escape de caldera en 300 F (149 C) Retorno auxiliar F Intercambiador térmico secundario F (43-49C) Alimentación auxiliar F (54.60 C) Relleno de agua de alimentación Figura La recuperación eficiente de calor por condensación depende del contacto directo entre el gas de combustión, el medio de enfriamiento y la pequeña caída de presión en el lado del gas. 24

36 CAPÍTULO III Resultados 2. Se determinó la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor de condensación. 1.- Del anexo A se obtuvo la eficiencia básica del gas y del petróleo tomando como referencia para la caladera que quema gas natural la temperatura de entrada del gas de combustión como 450 F (232 C), así como 300 F (148.9 ) para la caldera alimentada con petróleo. 2.- Del anexo B se obtuvo el factor F considerando la temperatura de salida del gas de combustión igual a 80 F (26.7C) para la caldera de gas natural y 90 F (32.2 C) para la caldera alimentada con petróleo. F gas = 1.19 F petroleo = De los valores obtenidos del cálculo de le eficiencia real al aplicar la ecuación 2.1 son: La tabla 3.1 expresa las condiciones del sistema con gas y con aceite combustible. 25

37 CAPÍTULO III Resultados Tabla Uso de figuras del apéndice A y B Uso de tabla F C 1. Gas natural Temperatura de entrada Agua fría de entrada Temperatura de salida = 60+20= ( de fig.2) 14.5 % 14.5 % F ( de fig. 3) =(14.5 *1.19) 17.3 % 17.3 % 1. Aceite combustible Temperatura de entrada Agua fría de entrada Temperatura de salida= 70+20= (de fig.2) 7.2% 7.2% F (de fig.3) (7.2*1.18) 8.5% 8.5% En la tabla 3.1 se muestran las condiciones del sistema para el gas y petróleo en el cual se observa que la eficiencia en un caldera de gas es más significativa (14.5%) en comparación con una alimentada con aceite combustible (8.5%), la baja eficiencia de la caldera con aceite combustible puede deberse al bajo contenido de hidrogeno del combustible. 3. Estimación del costo de equipo para la recuperación de calor por condensación Del anexo C y tomando como la capacidad de la caldera de se determina que los costos aproximados por instalación puede ser un poco más del triple del costo del equipo, teniendo como resultado: 26

38 CAPÍTULO III Resultados 4.- Propuesta de un sistema de recuperación de calor por condensación. Unidad de recuperación de calor Chimenea existente Agua fría de alimentación Caldera Retorno de condensado Agua precalentada de alimentación Figura La recuperación de calor da la unidad es más que suficiente para calentar agua de alimentación a una caldera. La figura 3.2 muestra la forma en que se puede usar una unidad de recuperación de calor para calentar agua de alimentación para una caldera, cabe mencionar que el calor recuperado puede ser más del necesario para calentar una sola caldera. 27

39 Conclusión CONCLUSIÓN Las calderas de condensación desde el punto de vista energético son consideradas como recuperadoras de calor que basan su funcionamiento en el calor de condensación de los humos de combustión. Debido a su importancia en el ahorro energético, en el presente trabajo se procedió a determinar la eficiencia de una caldera de condensación en base al análisis de dos combustibles distintos (gas y petróleo) y la mejora que se obtendría al utilizar cada una de ellos en el aspecto de ahorro energético y la reducción de emisiones. Cabe mencionar que los objetivos específicos se cumplieron debido a que se elaboro un diagrama típico de un sistema de recuperación de calor, así como también se determino la ganancia de eficiencia a partir de la recuperación de calor por condensación para dos combustibles distintos (gas y petróleo) en una caldera con las mismas características, obteniendo resultados de ahorro energético mayores en 8.8 % para una caldera con gas como combustible que una con petróleo, cabe mencionar que la baja eficiencia obtenida para calderas alimentadas con petróleo (8.5%) se debe generalmente al menor contenido de hidrógeno en el combustible, pero observe que cuando el costo del petróleo es más alto que el gas natural, el ahorro en dinero puede ser mayor. También en el aspecto económico se estimo el costo de instalación de una caldera de este tipo, asi como el costo del equipo y la recuperación de calor en millones de BTU/h, se observo que el costo de instalación del equipo puede llegar hacer mas de tres veces mayor en comparación con el costo del mismo. En lo referente al aspecto de reducción de emisiones la utilización de una caldera de condensación permite recuperar una parte muy grande de ese calor latente y esta recuperación de la energía reduce considerablemente la temperatura de los gases de combustión limitando así las emisiones de gas contaminantes, además cuando se quema gas natural, un pequeño porcentaje de las emisiones de se reducen por condensación de óxidos de nitrógeno. 28

40 Bibliografía BIBLIOGRAFÍA 1. H. Perry Robert, W. Green Don & O.Maloney James, Manual del Ingeniero Químico 6a. Editorial Mc Graw Hill Esquerra P.P. Dispositivos y Sistemas para el Ahorro de Energía. Ed. Marcombio. España Severns. W. H. La Producción de Energía Mediante Vapor, Aire o Gas. Editorial Reverté. España Soto C. J. Fundamentos Sobre Ahorro de Energía. Universidad Autónoma de Yucatán. México Calderas de condensación. ( 6. Metodologías para la cuantificación de emisiones de efecto hivernadero y de consumos energéticos evitados por el aprovechamiento sustentable de la energía. ( 7. Glosario de Petróleo y Gas. ( 29

41 Anexos ANEXO A Figura El aumento de la eficiencia depende del combustible y de la temperatura de gas de combustión. Fuente: Power 30

42 Anexos ANEXO B Figura Utilice estas curvas para compensar el efecto de variaciones de temperatura de salida de la unidad de recuperación, sobre el posible efecto de la eficiencia con una unidad de recuperación de calor. Fuente: Power 31

43 Anexos ANEXO C Figura Costo de instalación de una unidad de recuperación de calor puede ser hasta tres veces el costo del equipo. Fuente: Power 32

44 Anexos ANEXO D Propiedades de los combustibles Tabla Calores específicos de las escorias y cenizas de carbón utilizados para calcular balances de calor en sistemas de consumo de calor. Fuente: Manual del Ingeniero Químico (PERRY). Intervalo de temperatura Calor específico medio C F Btu/(lb. F) J/(Kg. K) Tabla Propiedades químicas y físicas de los coques de alta temperatura que se utilizan en Estados Unidos. Fuente: Manual del Ingeniero Químico (PERRY). Propiedad Gama Materia volátil en peso, como llega Cenizas en peso, como llega Azufre en peso, como llega Factor de estabilidad (tambor de 1 in) Factor de dureza (tambor de 1/4 in Densidad relativa aparente (agua= 1.0)

45 Anexos Tabla Análisis de combustibles de desperdicios. Fuente: Manual del Ingeniero Químico (PERRY). Desechos Poder calorífico (Btu/lb) Volátiles Humedad Cenizas Azufre Combustible seco Densidad (lb/ft 3 ) Papel Madera Trapos Basura Telas recubiertas caucho Filtros recubiertos vinilo Tejidos recubiertos vinilo Películas de polietileno Espumas escorias Cintas vidrio recubierto de resina Tejidos nylon Pedazos de vinilo

46 Anexos ANEXO E TIPOS DE CALDERAS 1. Clasificación por su aplicación de los tipos de calderas Usos domésticos: calefacción, ACS o mixtas. Generación de energía para plantas termoeléctricas: Para la generación de vapor sobrecalentado a altas presiones. Plantas de cogeneración: Usan los gases calientes de escape son calderas llamadas de recuperación. 2. Clasificación de las calderas por su diseño Calderas pirotubulares, o de tubos de humo: La llama se forma en el hogar pasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes para ser conducidos a la chimenea; presentan una elevada perdida de carga en los humos. El hogar y los tubos están completamente rodeados de agua. Calderas acuotubulares, o de tubos de agua: La llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es mas cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica. Combustibles Sólidos: Tales como carbón mineral, coque, hulla, azufre, leña, paja, aserrín, brea, bagazo de caña. Combustibles Líquidos: Gasolina, petróleo, alcoholes, aceites ligeros o pesados, etc. Combustibles Gaseosos: Como gas natural, gas L. P., gas de coke, hidrogeno, etc. Gas Natural: El mejor de los combustibles fósiles, económico, menos contaminante y seguro; Diesel: El segundo mejor combustible, su mayor consumo esta en el transporte carretero; 35

47 Anexos Gas L.P: Menos económico, el más usado en el sector residencial, requiere sistemas de alta seguridad para su uso; Combustóleo: El tercer combustible industrial, equivale a un Bunker No. 6 (C) económico, contaminante, manejo problemático; Gasolinas: El combustible mas utilizado por los automóviles;. 36

48 Anexos ANEXO F Impacto ambiental de la combustión Ozono Monóxido de Carbono Técnicas para reducción de emisiones de Impacto Ambiental de la Combustión Partículas totales en suspensión (TSP) Técnicas para reducción de emisiones de TSP Técnicas para reducción de emisiones de Producción de en procesos de combustión Evitar su formación Reducción del ya formado Reducción del durante la combustión Reducción selectiva no catalítica SNR Reducción selectiva catalítica SNR Combustión por etapas de aire Combustión por etapas de fuel Recirculación exterior de gases Inyección de vapor Figura Técnicas para la reducción de los contaminantes NO X, SO X, TSP, Ozono y CO. Fuente: CONAE. 37

49 Anexos CONTAMINANTES Ozono. Gas incoloro de gas penetrante, altamente reactivo. Beneficioso en la estratosfera: Protege contra los rayos UV. Nocivo en la troposfera (suelo): Generado en las ciudades y centros energéticos. Monóxido de carbono. Gas incoloro e inodoro producido por combustión incompleta de combustibles con carbono en su composición.. : Gas incoloro de olor irritante, producido por la combustión del azufre que en presencia de o Vanadio forma Causante de la lluvia ácida. Técnicas para reducción de emisiones. Reducción de en combustibles. Desulfuración de humos. Partículas totales en suspensión (TSP). El más complejo de los contaminantes, de composición variada. Nocivas por debajo de 3 micras (0.003mm). TÉCNICAS PARA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE TSP. Venturi Scrubber Decoquizado de aire/vapor. Scrubber alcalino para control con sección de Venturi para control de sólidos y efluente al hogar de combustión para control de y orgánicos.. Gas de color marrón rojizo. Cuando el nivel en los gases de chimenea supera los 20 ppm de, adquiere un color anaranjado. es una mezcla de (97%), (2%) y (1%). Contribuyen a la lluvia ácida. Contribuyen a la formación de Ozono ( ). 38

50 Anexos Contribuyen a la destrucción de la capa de Ozono (, 100 a 200 años de vida). Producción de en procesos de combustión. Durante la combustión se produce y. A la salida al exterior se oxida a. La formación de óxidos de Nitrógeno se produce de tres formas principales: térmico: oxidación térmica del nitrógeno presente en el aire. Aumenta con la temperatura de la zona de combustión. Zona de alta T:. de combustible (molecular) por reacción del nitrógeno incorporado en los combustibles. Significativo en combustibles líquidos o en gases residuales. puntual o inducido: por reacción de radicales hidrocarbonados en las primeras etapas de la llama. No se forma en la combustión de Hidrógeno y. Su contenido se reduce cuando la zona de combustión primaria es pobre en combustible. Las variables que influyen en la producción de óxidos de nitrógeno son, entre otras: Composición del combustible. A mayor contenido de, mayor. A mayor contenido en, mayor (aumenta T llama). A mayor contenido en inertes, menor (menor T llama). A mayor temperatura del aire, mayor T llama y mayor A menor exceso de aire menor nivel de. A excesos entre 50 y 70%, menor, por disminución de temperatura. El punto óptimo 10-15% para tiro natural y 5 a 10% para tiro forzado. A más alta temperatura de los gases de combustión, mayor producción de. 39

51 Anexos Técnicas para reducción de emisiones de SCR (Reducción catalítica selectiva) y modificaciones Eliminación térmica de, quemadores bajo y modificación combustión. Eliminación térmica de y modificación combustión. Quemadores bajo. Modificación combustión: Por etapas Recirculación de humos Bajo exceso de aire Inyección vapor o agua Evitar su formación Uso fuel líquido con % 0.002% (caro; normal %) Combustión de gas natural Reducción de ya formado Reducción selectiva no catalítica SNR Inyección amoniaco en zona radiante: hasta 90%) (Reducción Desventajas: Requiere alta temperatura radiante. Reducción selectiva catalítica SCR Inyección a más baja T. Utilización de lecho catalítico para promover la reducción (reducción > 90%). Desventajas: Instalación costosa Ensuciamiento lecho Corrosión Reducción del durante la combustión Recirculación de gases de combustión Combustión por etapas Combustión por etapas de aire. Combustión por etapas de fuel. 40

52 Anexos Combinación de recirculación de gases de combustión y combustión por etapas. Recirculación inducida por el fuel (INFURNOX). Inyección de vapor adicional y otras técnicas. Combustión por etapas de aire El combustible se quema inicialmente en defecto de aire: generación de agentes reductores y. Reducción T llama menos. La reacción se completa posteriormente con un aire secundario. Destrucción de partículas de carbono formados. Combustión por etapas de fuel Todo el aire de combustión se mezcla en la 1ª zona de combustión con una parte del combustible. Condiciones: alto exceso de aire, baja T llama menos térmico. Al final de la 1ª zona de combustión se añade el resto del combustible zona con alta concentración de productos de combustión menos concentración de y efecto diluyente: T llama menor, menos. Recirculación exterior de gases Mezcla de gases de combustión con el aire de combustión total que entra al quemador: Efecto diluyente, menos, T llama menor, menos. Desventajas: Aplicación solo a sistemas de tiro forzado Instalación exterior al horno. Mantenimiento Regulación Rango limitado de recirculación (15 a 30%) Inestabilidades de llama por cantidad elevada de humos recirculantes. 41