OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN POR MEDIO DE LA INSPECCIÓN EN CAMPO EVALUACIÓN EN ELEMENTOS FINITOS.

Transcripción

1 OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN POR MEDIO DE LA INSPECCIÓN EN CAMPO EVALUACIÓN EN ELEMENTOS FINITOS

2 I. INTRODUCCIÓN Una gran parte de las bajas eficiencias de combustión y reducción de las transferencia de calor en las calderas, además de la disminución del tiempo de disponibilidad del equipo y los altos costos de mantenimiento están muy vinculados con el sistema de alimentación aire. Una mala distribución donde no se tenga la cantidad correcta de aire, las proporciones de distribución, las presiones de inyección y los ángulos de ataque, conlleva a problemas de sobrecalentamientos de parilla, rupturas de tubos por abrasión y sobrecalentamiento, altas emisiones y otros problema comunes en la operación de las calderas.

3 II. ESTEQUIOMETRIA PRINCIPIOS DE COMBUSTION La Estequiometria de la combustión es el cálculo de gasto de aire y generación de gases junto con su composición de estos. La combustión ideal (también llamada estequiometria). Es aquella en que tenemos la cantidad exacta de comburente para oxidar todas las partículas combustibles. No falta ni sobra oxígeno y se oxidan todo el carbono e hidrógeno presente en el combustible

4 EXCESO DE AIRE El concepto de exceso de aire tiene relación con la cantidad de aire para la combustión que debe ser entregado por sobre el estequiométrico, para lograr una buena mezcla aire/combustible y con ello una buena combustión. La magnitud del exceso de aire requerido por una caldera varía principalmente de acuerdo al tipo de combustible y a la tecnología de la caldera

5 Combustión: Las 3 T s Por qué si se suministra la cantidad de aire necesaria, no se logra una combustión optima? Garantizar el aire estequiometrico mas su exceso puede no ser suficiente para obtener un proceso de combustión eficiente, se debe favorecer: Condiciones de turbulencia. Tiempo y Temperatura. Turbulencia

6 Eficiencia [%] Bagzo adiciona [%] Eficiencia [%] Resultados y Discusión : Sensibilidad Eficiencia 67, , , , ,5 63 SENSIBILIDAD: EFICIENCIA A EXCESO DE AIRE (TEMP GASES CHIMENEA 160 C) Eficiencia [%] Bagazo adicional [%] 5,5% 5,0% 4,5% 4,0% 3,5% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% Exceso de aire [%] Sensibilidad eficiencia térmica a cambios en exceso de aire. Pérdida de 0,4% puntos de eficiencia por cada 10% de exceso de aire adicional 67, , , ,5 SENSIBILIDAD: EFICIENCIA A TEMP GAS CHIMENEA (EXCESO DE AIRE 30%) Temperatura gases de chimenea [ C] Sensibilidad eficiencia térmica a temperatura de gases de chimenea. Pérdida de 0,8% puntos de eficiencia por cada 10 C adicionales en los gases de chimenea

7 COMBUSTIÓN BIOMASA Las biomasas en general, son combustibles ricos en volátiles, como se puede apreciar en su composición próxima. Esto hace que el proceso de combustión ocurra en 6 etapas consecutivas bien definidas: 1. Secado 2. Emisión de volátiles 3. Ignición de los volátiles 4. Quema de los volátiles en la llama 5. Extinción de la llama de los volátiles 6. Combustión del residuo de coque

8 COMBUSTIÓN BIOMASA

9 Escenarios de Modelamiento Caldera de 150 t/h vapor a C --- Combustible bagazo Se modificó la distribución del aire entre forzado y OFA, conservando la relación estequiométrica. Escenario A 75% Bajo parrilla, 25% Secundario (β=0; Θ=0) y 5% Neumático. Escenario B 35% Bajo parrilla, 60% Secundario (β=0; Θ=0) y 5% Neumático. Escenario C 35% Bajo parrilla, 60% Secundario (β=30; Θ=30) y 5% Neumático. Escenario D 35% Bajo parrilla, 60% Secundario (β=30; Θ=20) y 5% Neumático.

10 Distribución de aire Fracción másico O2 Modelos CFD Composición de gases de combustión modelos Escenario A: 75% Bajo Parrilla, 25% Secundario, 5% Neumático Escenario B: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=0, β=0) Escenario C: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=30, β=30) Escenario D: 35% Bajo Parrilla, 60% Secundario, 5% Neumático (Θ=20, β=30) Composición con combustión Completa Fracción másica CO2 Fracción másica de H2O Fracción másica N2 9.22% 15.28% 6.56% 67.81% 5.69% 17.00% 9.65% 67.65% 11.43% 11.25% 6.33% 70.99% 7.38% 15.40% 8.64% 68.50% 4.17% 18.09% 17.83% 59.85% Mejor desempeño de la combustión en escenarios B y D Menor oxigeno residual (5,6% y 7,38%) Mayor contenido de dióxido de carbón (17% y 15,4%) Mayor aprovechamiento de la energía disponible en el combustible

11 Modelos CFD Perfiles de velocidad en escenarios A (izquierda) y D (derecha). Perfiles de CO2 en escenarios A (izquierda) y D (derecha).

12 III. ANALIS INICIAL DE LA CALDERA La caldera en su diseño es para un flujo de 100 ton/h de vapor, una presión de 42 bar y una temperatura de 420 C. La caldera esta generando un promedio de 90 ton/h, a una presión de 42 bar y una temperatura de 414,7 C La caldera tiene problemas de ruptura de tubos de supercalentador por sobrecalentamiento y abrasión. En el banco generador y economizador por abrasión. En la parrilla hay deterioro de sus elementos por temperatura y acumulación de biomasa por combustión ineficiente. El análisis de emisiones dieron valores promedio de 6156 (mg/m3n) para el CO, 807 (mg/m3n) de material particulado y un exceso de Oxigeno del 10,48% (aire exceso 106%). Distribución aire: primario 83%, aire secundario 12% y aire neumático 5% La medida inicial de la eficiencia dio un valor 57 %, (Norma ASME PTC 4.1).

13 Gases de combustión Lavador de gases Gases de combustión Agua c/ceniza Tk. agua Decant. Tk. agua c/ceniza Agua c/ceniza Tamiz rotativo Ceniza humeda Agua tamizada Decantador Agua decantada Salida de lodo

14 Modelo inicial de la caldera: 1 Geometría caldera: Superheater 1 Superheater 2 Banco generador Flujo másico de aire terciario Economizador Flujo másico de aire secundario Flujo másico de combustible Flujo másico de aire neumático

15 2. Líneas de corriente. Sistema de gases Recirculación Baja turbulencia en el horno Se evidencia baja turbulencia en la zona central de la caldera donde se debería de generar la combustión, esto ocasiona disminuciones considerables en la eficiencia. No se presenta una buena penetración de los aires secundarios y terciarios.

16 2.1 Líneas de corriente. Sistema de gases Recirculaciones Flujo preferente Baja turbulencia en el horno Se evidencia baja turbulencia en el hogar, recirculaciones en la zona media y superior. Se ve flujo preferente en la zona de banco y economizador, generando altas velocidades que pueden generar erosión.

17 3. Perfil de velocidades. Sistema de gases La velocidad entrando al superheater esta en 30m/s, la cual es excesivamente alta generando erosiones a la tubería Se alcanzan a evidenciar velocidades de 36m/s en la zona del convector (pared posterior), esto aumentara la rata de desgaste en los tubos. Las velocidades presentadas en el economizador son de 23m/s aproximadamente, valores muy altas que podrán generar erosión en los tubos.

18 4. Perfil de temperaturas Sistema de gases La temperatura promedio a la salida del horno es aproximadamente 840 C, pero se pueden apreciar altas temperaturas en la zonas de los sobrecalentadores (1100 C aprox.)

19 Sistema de gases 5. Perfil de presiones La perdida de presión es de 72mmH2O desde la zona de la parrilla hasta la salida de la caldera, según el diseño de la caldera las perdidas deben ser 32mm H2O.

20 6. Calentador lado gases: Líneas de corriente. Sistema de gases La velocidad de entrada al calentador de aire esta entre m/s, se evidencia un choque sobre la lamina superior, esto es debido a la alta velocidad del fluido y el flujo preferente. Esta distribución del fluido ocasiona que por una pequeña parte de los tubos no pase gases de combustión.

21 7. Concentración de especies (CO2). Composición gases La concentración de CO2 alcanzada es de 10,2%, (en masa base húmeda) en comparación con 12,8% que seria la alcanzada con una reacción total del carbono, con un exceso de aire del 106% Debido al alto exceso de aire el desarrollo de llama tiende a niveles superiores alcanzando zonas de los sobrecalentadores causando recalentamiento.

22 8. Concentración másica de oxigeno Composición gases La concentración másica de oxigeno alcanzada en promedio es de 10.0% (en masa base húmeda), Gran parte del oxigeno esta saliendo sin reaccionar por la parte central del horno, esto es ocasionado por la falta de turbulencia, que genera combustión ineficiente.

23 Sistemas de aires 9. Sistema aire bajo parrilla: Líneas de corriente. Entrada 5 Entrada 4 Entrada 3 Entrada 2 Entrada 1 No hay una distribución homogénea del aire primario bajo la parilla. Hay efecto preferente del fluido hacia la entrada N 1, debido a la posición de la succión del ventilador del aire secundario

24 Sistemas de aires 9.1 Sistema aire bajo parrilla: Perfil velocidades por encima de la parilla Entrada 5 Entrada 4 Entrada 3 Entrada 2 Entrada 1 Se presentan altas velocidades del fluido en la pared frontal y lateral derecha de la caldera. Hay deficiencia del distribución de aire en zona de la pared posterior.

25 Sistemas de aires 10. Lado aire: Líneas de corriente. : Entrada 1 Entrada 2 Entrada 3 Entrada 4 Entrada 5 En la entrada del calentador se presenta flujo preferente hacia la parte superior, lo cual ocasiona que el flujo no ingrese de una manera homogénea al calentador. Debido a las altas velocidades presentadas en la entrada del calentador hay erosión en los tubos del lado izquierda. El flujo entrando bajo parrilla tiende a ser mayor en la entrada 1, debido a la inducción de la succión de aire secundario.

26 10.1 Lado aire: Perfil de temperatura. Sistemas de aires Hacia la entrada N 1 se encuentran temperaturas de 220 C y temperaturas mas bajas en las otras entradas. Según el diseño la temperatura promedio es de 202 C. En la zona central del calentador se generaran recirculaciones por ende las temperaturas tienden a elevarse llegando a obtener cercanas a 350 C.

27 IV. PROPUESTA CAMBIOS EN SISTEMA AIRE Se propone la instalación de deflectores a la entrada del calentador de aire de tal manera que se logre guiar mejor el fluido y orientarlo homogéneamente hacia todos los tubos del intercambiador, reduciendo flujos preferentes, recirculaciones, y mejorando el aprovechamiento del área de transferencia. A la entrada del calentador se propone ampliar el ducto para evitar la estrangulación y las altas velocidades del flujo.

28 IV. PROPUESTA CAMBIOS EN SISTEMA AIRE Se cambia la posición del aire secundario para minimizar la inducción del fluido y mejorar la distribución bajo parilla. Para mejorar la distribución del aire primario entrando bajo la parrilla se propone el siguiente arreglo de ductos, conservando los actuales y adicionando tres ramificaciones en cada pared lateral.

29 Cambios sistema de aire

30 Cambios sistema de aire

31 Propuesta cambios operación sistema de aires Reducir el exceso de aire a 30%. 65% Aire primario entrando bajo parrilla a una presión 1 2 in H 2 O 5% Aire distribuidor neumático a una presión in H 2 O 12,5% Primer nivel OFA (anillo inferior) a una presión 4 5 in H 2 O 12.5 % Segundo nivel OFA (anillo superior) a una presión 6 8 in H 2 O 5% Aire terciario a una presión de in H 2 O (aire a temperatura ambiente)

32 Línea Base Líneas de corriente Recirculación Mejora Baja turbulencia en el horno Se evidencia mejor turbulencia en la zona central de la caldera

33 Líneas de corriente Línea Base Mejora Recirculación Baja turbulencia en el horno Se nota mejor penetración de los aires secundarios y terciarios

34 Línea Base Perfil velocidades Mejora La velocidad en el horno están entre 4-5 m/s, entrando al sobrecalentador están 6 m/s, las velocidades en el banco generador y economizador están entre 6-7 m/s.

35 Perfil de temperaturas Línea Base Mejora La temperatura en la parte superior del horno es aproximadamente 840 C La temperatura promedio a la salida del horno es aproximadamente 920 C. El desarrollo de la combustión se da en el horno.

36 Perfil de temperaturas Línea Base Mejora

37 Línea Base Perfil de CO2 Mejora La concentración de CO2 alcanzada es de 18,2%, (en masa base húmeda) en comparación con 18,7% que seria la alcanzada con una reacción total del carbono, con un exceso de aire del 30%

38 Línea Base Perfil de Oxigeno Mejora La concentración de O2 alcanzada es de 5,4%, (en masa base húmeda) en comparación con 4,12% que seria la alcanzada con una reacción total del carbono, con un exceso de aire del 30%

39 Distribución de aire bajo parilla Línea Base Mejora La acción de la entrada de los aires laterales mejora la turbulencia y la distribución de aire bajo es,mas homogénea.

40 Distribución de aire bajo parilla Línea Base Mejora No hay efecto de flujo preferente en la distribución de aire bajo parilla Las velocidades de entrada están entre 1,5 a 3,5 m/s

41 Distribución de aire bajo parilla Línea Base Mejora La acción de la entrada de los aires laterales mejora la turbulencia y la distribución de aire bajo es,mas homogénea.

42 Distribución de aire bajo parilla La acción de la entrada de los aires laterales y la ubicación de un bafle en la parte central bajo parilla mejora la turbulencia y la distribución de aire bajo es mas homogénea.

43 Distribución de aire bajo parilla Flujo Másico total Caldera (Kg/s) 40,666 Región Flujo Másico (kg/s) Porcentaje Inlet 38,6 95,00% OFA 13, ,10% Outlet1 6, ,80% Outlet2 5, ,04% Outlet3 4,832 12,52% Outlet4 1,412 3,66% Outlet5 1,241 3,10% Outlet6 1,183 3,06% Outlet7 1,459 3,60% Outlet8 1,785 4,40% Outlet9 1,43 3,50%

44 III. MEJORAS OBTENIDAS La caldera esta generando un promedio de 96 ton/h, a una presión de 42 bar y una temperatura de 425 C Desde que se entro en operación no se ha tenido tubo roto en ningún intercambiador del equipo. La distribución de aire bajo parilla es mucho mas homogénea. La acumulación de biomasa en la parrilla disminuyo notoriamente y no se amontona en la pared posterior. Aunque no se ha realizado el análisis de gases, el aspecto de la chimenea es mucho mejor y se nota un carga mucho menor de la cenizas en el scrubber y tolvas. La medida final de la eficiencia dio un valor 65,4 %, (Norma ASME PTC 4.1).

45 CONCLUSIONES Para mejorar la eficiencia de la caldera y optimizar la combustión y mejorar los tiempos de disponibilidad, es necesario hacer una evaluación operativa y del equipo para llegar a un correcto diagnostico y encontrar la soluciones adecuadas No solo garantizar el aire estequiometrico mas un exceso asegurara tener una buena combustión, también es necesario tener una buena turbulencia y tiempo de residencia. Se bebe tener una distribución homogénea de aire bajo parilla con una velocidades adecuadas para no fomentar el arrastre de inquemados.

46 CONCLUSIONES Los porcentajes de distribución de aire secundario, sus presiones de inyección junto con sus ángulos de ataques deben ser evaluados para mejora la penetración dentro del hogar. El exceder en demasía el aire de combustión, llevara a que el perfil de velocidades en la caldera aumente y esto llevara a arrastres y sobrecalentamientos que causaran daños a los tubos.

47 TRATAMIENTO DE CONDENSADOS DE PROCESOS PARA SU UTILIZACION EN APLICACIONES INDUSTRIALES.

48 INTRODUCCION El mejor aprovechamiento de las aguas residuales productos de los procesos industriales, toma cada ves mayor importancia, tanto como para disminuir la presión sobre los recursos hídricos, así como reducir la carga sobre las plantas de tratamiento de aguas residuales. Con un tratamiento fisicoquímico adecuado estos condensados de proceso pueden ser utilizados en aplicaciones industriales como agua de reposición de calderas y torres de enfriamiento, como también en necesidades de aguas de alta pureza.

49 OBJETIVOS Utilizar los condensados producto de los proceso de evaporación en: Agua de reposición de calderas cumpliendo con Norma ASME. Agua de reposición de torres de enfriamiento, para permitir una mayor ciclación. Tener disponibilidad de aguas de alta calidad en procesos que así lo demanden. Disminución del costo del M3 para los tratamientos de agua de reposición.

50 BENEFICIOS DEL PROCESO Obtener agua de reposición calderas cumpliendo con Norma ASME. Obtener agua de reposición de torres de enfriamiento, para permitir una mayor ciclación. Disponibilidad de aguas de alta calidad en procesos que así lo demanden. Aprovechamiento del calor sensible de los condensados en el desaereador de la caldera o en calentamientos de fluidos.

51 BENEFICIOS DEL PROCESO Disminución del costo del M3 para los tratamientos de agua de reposición. Disminución del potencial de contaminación con minerales. Posibilidad de aumento de la generación eléctrica, por disminución del consumo de vapor en el desaireador. Proceso UNATTENDED.

52 BENEFICIOS AMBIENTALES No uso recursos de fuentes naturales. No uso de químicos (Acido sulfúrico, Soda Cáustica, Desincrustantes, Bactericidas etc.). Disminución de un 95% del agua utilizada en la regeneración de los sistemas convencionales. Disminución de la temperatura de aguas residuales.. Aliviar la carga química, orgánica y volumen en las piscinas de tratamiento de efluentes. Beneficios tributarios.

53 TRATAMIENTO CONDENSADOS INDUSTRIALES El principio de la planta de tratamiento de condensados, es tratar los condensados industriales, a través de procesos de flasheo, filtración y oxidación catalítica, para usarlos como agua de reposición de calderas y torres de enfriamiento, como también otras necesidades de aguas de proceso. Lo interesante de esta tecnología, es que es 100% desarrollo industrial Colombiano (Biocondensados de Colombia), que no usa recursos naturales y que el costo de una planta (CAPEX) puede reducirse hasta en un 50% y el costo operacional (OPEX) puede estar llegar a reducirse hasta en un 90% del costo de un sistema convencional.

54 Vapor escape 54 Río 1er 2do 3er / 4to 5to Pozos Planta Tratamiento Condensados Agua rechazo (0,5 1 %) Makeup Aguas de alta pureza a proceso

55 Vapor escape Situación actual Evaluación de Condensados del Proceso Ejemplo : 400 ppm TOC 1er 2do 3er 4to 5to Mejoramiento en arrastre Optimización de la calidad de condensados del proceso < 200 ppm TOC Proceso mejorado Re-caracterización de condensados Almacenamiento de condensados de proceso Monitoreo y recolección 1ra etapa de eliminación de contaminantes (cadenas volátiles Carbonos) Tanque flash 2da etapa de eliminación de contaminantes (cadenas pesadas Carbonos y material suspendido) Filtro 3ra etapa de eliminación de contaminantes (oxidación compuestos orgánicos faltantes y rectificación) Reactor oxidación < 20 ppm TOC TOC: Total Organic Carbon

56 COMPARATIVO TRATAMIENTO CONVECIONALES VS TRATAMIENTO DE CONDENSADOS VEGETALES TTO Osmosis Inversa Desmineralizacion Condensados Acido Bajo Alto No Soda Bajo Alto Muy bajo Anticrustantes Alto No No Bactericidas Alto No No Oxidante No No Alto Catalizador No No Bajo Agua rechazo Alto Media Muy bajo Aprovechameinto calor residual No No Si Disminucion vapor desaireador No No Si Consumo energético Alto Medio Bajo Carga PTAR Aumenta Aumenta Disminuye Desgaste equipo Alta Media Baja Fuente Natural Natural Proceso Contaminacion potencial Fuente/equipo Fuente/equipo Proceso/equipo Beneficios tributarios No No Si

57 CONCLUSIONES Usar como fuente de agua de reposición de calderas y torres de enfriamiento, condensados de proceso tratados fisicoquímicamente. Disminuir las captaciones en fuentes naturales. Aprovechamiento del calor sensible de los condensados. Disminuir la carga hacia las plantas de tratamiento de aguas residuales.