EVALUACION DEL RENDIMIENTO DE CALDERAS CONVERTIDAS A GAS NATURAL Jair I. Meza, ME, MSc José I. Huertas, PhD, MSc, ME Grupo de Investigación en Energías Alternativas y Fluidos EOLITO Universidad Tecnológica de Bolívar Km 1, Vía a Turbaco, Parque Industrial Velez Pombo jmeza@unitecnologica.edu.co Abstract: La crisis energética actual y sus consecuencias económicas en la productividad industrial han abocar pensar en el uso más eficiente de los recursos con los que contamos para realizar nuestras actividades. Sabiendo que las calderas son equipos de generación de vapor utilizados ampliamente, y que de ellos dependen muchos procesos (más del 50% de la energía que consume el sector industrial en Colombia es emplea para generar vapor), se evaluó y se comparó la eficiencia de tres calderas usando fuel-oil y gas natural. Como resultado, las eficiencias a condiciones de operación normales fueron: gas natural (78,1%), fuel-oil #2 (82,9%) y fuel-oil #6 (82,3%) a similares condiciones ambientales. Lo que equivale a una disminución de 4,5% en este tipo de eficiencia usando gas natural comparado con fuel-oil. Se observó que a elevados excesos de aire el tipo de pérdida relevante en el comportamiento de la eficiencia es la pérdida por gases secos, que depende mucho de la temperatura de los gases de escape. Usando gas natural, la pérdida por gases secos representa del 7 al 8% del total de pérdidas en una caldera a las condiciones ambientales de la ciudad de Bogotá. La variabilidad de las pérdidas restantes tiene muy poca incidencia en el volumen total de pérdidas de calor (entre 18 y 22%), por tal motivo el exceso de aire es la variable a controlar en los sistemas de generación de vapor que operan con gas natural. Keywords: Eficiencia, calderas, gas natural, pérdidas energéticas, uso racional, energía. 1. INTRODUCCIÓN Las calderas industriales pueden ser clasificadas tanto en acuotubulares y pirotulares indicando la posición relativa de los gases de combustión con respecto al fluido que está siendo calentado. Las pirotubulares pasan los productos calientes de la combustión a través de tubos sumergidos en el agua de la caldera. Las unidades convencionales generalmente emplean de 2 a 4 pasos para incrementar la superficie de área expuesta a los gases calientes y por lo tanto, incrementar la eficiencia. Las capacidades máximas de las unidades pirotubulares han sido extendidas a 69,000 lbs de vapor por hora con presiones de operación por encima de 300 psig. En este estudio se realizaron pruebas sólo con calderas de este tipo. Las acuatubulares hacen circular el agua que entra a la caldera por el interior de tubos y en el exterior de estos, los gases de escape. La circulación del agua es generalmente alcanzada por la diferencia de densidad entre el agua fría que entra y la mezcla vapor/agua caliente que sale. Alcanzan capacidades mayores que
las anteriores ya que van de 1000 lbs de vapor por hora, a calderas de 500,000 lbs de vapor por hora y son más utilizadas para grandes producciones de vapor 1.1 Combustibles El gas natural es el combustible gaseoso más simple para quemar porque requiere poca preparación y se mezcla rápidamente con el aire suministrado. Las calderas industriales generalmente usan quemadores de baja presión que operan entre 1/8 a 4 psig. Es un combustible más limpio que el fuel oil y el carbón, puesto que emite muy pocos contaminantes al medio ambiente. Los combustibles de aceite generalmente requieren algún tipo de tratamiento previo de calentamiento, debido a su alta viscosidad a temperatura ambiente y deben ser atomizados antes de la vaporización y mezcla con el aire de combustión. Tienen elevado grado de contaminación con respecto a los gaseosos. Respecto al carbón, hay dos sistemas para quemarlo: pulverizado y con parrilla. El primero cuenta con cuatro funciones: pulverización, secado, clasificación, y transporte al sistema de quemador. Con este sistema es más eficiente la combustión ya que la cantidad de carbón inquemado en las cenizas disminuye. Por su parte el sistema de parrilla se caracteriza por que hay una cama de combustión sobre una rejilla donde se ubica el carbón y a través de ella atraviesa la corriente de aire de combustión. Se utiliza para calderas de menor capacidad que el sistema anterior (de 2000 a 350,000 lbs de vapor por hora) y alcanza menores eficiencias. 1.2 Cálculo de la eficiencia del generador de vapor Para el cálculo de la eficiencia energética del generador de vapor se utilizará el Código de pruebas para generadores de vapor PTC 4.1 ASME, correspondiente al método de pérdidas de energía y al de entradas y salidas. Con el Protocolo de Evaluación del Rendimiento de Calderas, que se desarrolló como objetivo de este estudio, y con ayuda de la macro en Excel Formulario para Evaluación de Calderas se cuenta con todas las herramientas para evaluar la eficiencia de una caldera. Los dos métodos por los cuales se puede conseguir dicho objetivo se describen brevemente a continuación, junto con la instrumentación utilizada. 1.3 Método para calcular la eficiencia El método de pérdidas y ganancias consiste en evaluar las pérdidas en el generador de vapor y restarlas del 100% de la eficiencia que se obtendría si éstas no existieran. Para la aplicación del método de pérdidas de calor se requiere determinar lo siguiente: Total de pérdidas de calor: - Por gases secos - Por formación de CO - Por radiación - Por la combustión del H2 - Por la humedad del aire - Por la humedad en el combustible - Por el carbono inquemado en las cenizas - Pérdidas incalculables La eficiencia será cuantificada mediante la siguiente expresión: Eficiencia = (1 - Pérdidas) *100 El método de entradas y salidas, pretende cuantificar la forma en que es utilizado el calor suministrado por el combustible. O sea, cuánto de ese calor es usado para la producción del vapor, que es el objetivo del sistema de generación, y cuánto calor es suministrado al generador mediante el combustible quemado. Para el método de entradas y salidas se requiere evaluar lo siguiente: - Calor que entra con el combustible. - Calor que sale con el vapor generado. La eficiencia será cuantificada mediante la siguiente expresión: Eficiencia = (Qaprovechado / Qsuministrado) *100 Para más detalles, referirse al Protocolo de Evaluación del Rendimiento de Calderas que es una simplificación del método usado en el código ASME PTC 4.1. y que servirá como una herramienta para la evaluación de sistemas de generación de vapor, para la pequeña y mediana industria colombiana. Por todo ello, se requiere de un método lo suficientemente sencillo para ser aplicado en las pequeñas y medianas industrias. La planeación de la prueba de evaluación del rendimiento de una caldera debe considerar la necesidad de mínimo de requerimiento en cuanto a instrumentación. Los principales parámetros que estarán sujetos a medición son: -Temperaturas (agua, vapor, superficies y gases). -Flujos (agua, combustible y vapor).
Eficiencia (%) -Presiones (vapor y agua). -Análisis de gases (CO, CO2, O2, NOx y SOx). 1.4 Estudios anteriores La eficiencia de las calderas que funcionan con fueloil es mayor que las que lo hacen con gas natural. Estas calderas fueron diseñadas para estos tipos de combustibles y en ningún caso se escogieron calderas convertidas, que es una diferencia con el presente estudio. Como se puede ver la eficiencia de las calderas a gas natural es en promedio 2% inferior a las de fuel-oil. Y al aumentar la capacidad de la caldera tienden a igualarse en ambos casos. - Instrumentar previamente la caldera. - El mismo día de las mediciones, estar presente en el encendido desde muy temprano en la madrugada. - Tomar mediciones, cada 15 minutos durante 1 hora, de cada variable a medir y observar condiciones de estabilidad en la operación de la caldera. Siempre se contó con la ayuda de 2 operadores de la planta para esto. - Al comenzar una prueba se procuró cambiar la relación aire/combustible para obtener un patrón de comportamiento a diferentes condiciones de exceso de aire. - Un día se realizaron pruebas con gas natural y al día siguiente, con el combustible alternativo. - Tal procedimiento se llevó a cabo de igual forma con cada una de las calderas. 90 80 78 Eficiencias para Calderas Acuotubulares 81,5 82,8 83,4 82,8 81,2 82,7 79,5 Para determinar la cantidad de agua evaporada durante la prueba, se utilizó el método alternativo de instalar contadores de agua en el tanque del agua de alimentación, como se indica en la figura 2. 70 60 50 40 30 20 10 0 10-16 16-100 100-250 250-500 Rango de Capacidades (MBtu/hr) Combustible Gas Natural Fuel-Oil Fig 1. Prueba de eficiencia de operación en calderas industriales (Tomado de Efficient Boiler Operations Sourcebook. Payne, W.) 2. METODOLOGÍA Se evaluaron cuatro calderas convertidas a gas natural de las cuales dos utilizan fuel oil #2 y las otras dos utilizan fuel oil #6. Se realizaron cuatro test o pruebas para cada una de las cuatro calderas con cada uno de sus dos combustibles (gas natural y fuel oil), o sea, en total se llevaron a cabo 32 pruebas de eficiencia. Con excepción de una, a las otras se les realizó medición de emisiones para un total de 24 pruebas de este tipo, cuyos resultados se muestran a continuación. El procedimiento en cada una de las pruebas fue el mismo y consistió en: Fig 2. Disposición de contadores de agua en el tanque de almacenamiento. Arriba se aprecia toda la instrumentación en el tanque de agua de almacenamiento con el fin de determinar aproximadamente la cantidad de vapor producido durante la prueba. Se tomaron mediciones iniciales de: - Lectura del contador de gas natural o nivel inicial del tanque de fuel-oil. - Lectura del contador de agua de reposición. - Lectura del contador de agua de condensado. - Presión y temperatura del agua de alimentación. - Presión del vapor a la salida de la caldera. - Temperatura de los gases a la salida de la caldera.
La bomba de alimentación se configuró en modo manual porque era necesario controlar que al inicio y al final de cada prueba, el nivel de agua en el tanque de almacenamiento y en la caldera fuera el mismo. 3. RESULTADOS Se utilizó el método de entradas y salidas. Y los resultados obtenidos se muestran en la figura 3. Eficiencia, % 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Gas natural Fuel oil 2 Fuel oil 6 78,1 82,9 82,3 Combustible Fig 3. Resultados de las Pruebas de Eficiencias En promedio la eficiencia con gas natural fue más baja (78,1%) contra fuel-oil #2 (82,9%) y fuel-oil #6 (82,3%) se procuró que las condiciones ambientales fueran similares durante los 2 días de pruebas para una misma caldera. Se llegó a una relación entre el exceso de aire de la caldera y la concentración de O2 y CO2, para gas natural y fuel oil #2 y #6. tiende a cero el exceso de O2 también. Otro motivo por el que se prefiere usar el exceso de O2 para calcular el exceso de aire, es porque este permanece relativamente invariante con la composición del combustible, mientras la composición de CO2 depende del combustible. En la figura 5 se aprecian las pérdidas para la caldera #1 funcionando con gas natural. En ella se observa que a altos excesos de aire, el tipo de pérdida de calor relevante en el comportamiento de la eficiencia es la pérdida por gases secos, que depende mucho de la temperatura de los gases de escape, ya que a mayor temperatura mayor será la pérdida por gases secos. La variabilidad de las pérdidas restantes tiene muy poca incidencia en el volumen total de pérdidas de calor. Un factor importante para aumentar la eficiencia de una caldera es disminuir al óptimo ( 10%) el exceso de aire, ya que un exceso de aire menor produce combustión incompleta y un exceso mayor produce pérdidas del tipo mencionado previamente. Pérdidas de eficiencia Variación de las condiciones de la chimenea y pérdidas de calor con cambios en el exceso de aire. 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% Caldera #1 - gas natural Total de pérdidas Combustión del Hidrógeno Gases secos Radiación y convección Formación de CO Porcentaje de O2 y CO2 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentaje de exceso de aire CO2 (fuel oil #2 - #6) O2 (fuel oil #2 - #6) CO2 (gas natural) O2 (gas natural) Fig 4. Relación entre el exceso de aire y la concentración de O2 y CO2, para gas natural y fuel oil #2 y #6. Se observa que las curvas de O2 tanto para gas natural como para fuel oil, muestran congruencia y aunque están hechas para rangos diferentes de exceso de aire, teóricamente deben ser muy similares. Por tal razón, el exceso de O2 es más asociado con el exceso de aire, por ejemplo, cuando el exceso de aire Pérdidas de eficiencia 0,00% 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 Exceso de aire, % 0,20% 0,15% 0,10% 0,05% 0,00% 300 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 Exceso de aire, % Fig 5. Variación de la temperatura de la chimenea y pérdidas de calor por cambios de exceso de aire. De igual forma se realizó este tipo de gráfica para fuel oil y para las otras calderas y se llegó a las mismas conclusiones. 500 400 Formación de CO Temperatura gases de escape
REFERENCIAS - PAYNE, W., Efficient boiler operations sourcebook. Ed. Prentice Hall Internacional. 4th. Edición. 1996. - WOODRUFF, E., Steam-Plant Operation. Ed. Mc. Graw-Hill. 1967. - SORENSEN, H., Energy conversion system. Ed. John Wiley & Son. 1983. - GUIA PARA EL ANALISIS Y EVALUACION DE CALDERAS Y REDES DE DISTRIBUCION DE VAPOR. Ministerio de economía y planificación. España. - ASME, PTC 4.1 Código de pruebas para generadores de vapor. - www.conae.gov.mx