Tema 1: Mejoras Sistemas de Calderos.pptx

Calderos

1. Centro de Tecnologías Ambientales - CTA MODULO 4: OPORTUNIDADES DE MEJORAS EN SISTEMAS TÉRMICOS TEMA 1: SISTEMAS DE CALDEROS ING. CIP MANUEL BOCANEGRA ALAYO Experto en Eficiencia Energética Chiclayo , 16 de noviembre del 2013

2. CONTENIDO INTRODUCCIÓN CALDERAS EN EL PERÚ EFICIENCIA EN CALDERAS OPTIMIZACIÓN EN CALDERAS

3. I. INTRODUCCIÓN

4. Energía Química  Energía Eléctrica  Energía Térmica       Generación Energía Térmica Transferencia De Calor  Energía Cinética  Vapor Saturado  Calentamiento de aceite térmico  Agua caliente LAS CALDERAS Y LA ENERGÍA

5. Calderas de Vapor

6. Calderas de Vapor

7. Calderas de Aceite Térmico

8. Calderas de Aceite Térmico

9. II. CALDERAS EN EL PERÚ

10. Cantidad de empresas y calderas de vapor del sector productivo - 1999 Sector productivo N° empresas existentes N° calderas existentes Empresas Manufactureras Industriales 528 1.150 Empresas Pesqueras 115 541 TOTAL 643 1.691 INVENTARIO DE CALDERAS DE VAPOR

11. En base al número de calderas de 1999, y una tasa de crecimiento del 2,1% anual, se ha estimado que para el año 2010 el número de calderas industriales existentes sería de 2128, es decir un 26% mas. Año 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2010 N° Calderas 1691 1727 1763 1800 1838 1877 1917 2128 PROYECCIÓN DE LAS CALDERAS DE VAPOR

12. Caldera Pirotubula r 84% Caldera Acuotubular 16% TIPOS DE CALDERAS DE VAPOR L as calderas pirotubulares tienen una potencia promedio de 434 BHP; mientras que las acuotubulares 1123 BHP.

13. BHP % < 500 56,2 500 – 1000 33,4 > 1000 10,4 CALDERAS POR RANGOS DE POTENCIA POTENCIA DE CALDERAS DE VAPOR

14. Los combustibles de mayor consumo en las calderas son : Petróleos Residuales (PR-500, PR-6, PR-5 y PR-4) : 65,4% Diesel 2 : 25,4% E l 80,5% de la potencia instalada de calderas consume Petróleos Residuales. CALDERAS POR TIPO DE COMBUSTIBLE

15. Consumo de energía de las calderas industriales Las calderas consumen el 46% del total de energía de la industria peruana (112 217TJ/año) CONSUMO DE ENERGÍA DE LAS CALDERAS Combustible Número Calderas Capacidad (MW) Consumo de Combustible (TJ/año) Residuales (4, 5, 6, 500) 940 6.239 41.533 Diesel 2 652 968 3.164 Otros 99 710 6.384 TOTAL 1.691 7.917 51.081

16. La antigüedad promedio de las calderas industriales es de 2 5 años (referido al 200 4 ), aunque existen calderas desde 3 hasta 78 años . ANTIGÜEDAD DE LAS CALDERAS

17. III. EFICIENCIA EN CALDERAS

18. Eficiencia térmica de calderas EFICIENCIA DE CALDERAS Eficiencia Térmica - LHV Eficiencia Térmica – HHV N° Calderas % < 70 < 64,8 4 5,00 70 -74,9 64,9 – 69,3 6 7,50 75 -79,9 69,4 - 73,9 9 11,25 80 - 84,9 74 - 78,5 29 36,25 85 - 89,9 78,6 - 83,2 31 38,75 > 89,0 > 82,3 1 1,25 Total 80 100,00 LHV: Uso de Poder calorífico inferior (PCI) HHV: Uso de Poder calorífico superior (PCS)

19. ¿Qué impide que la mayoría de las calderas logren una eficiencia óptima? Existen una serie de barreras tales como: Técnicas Organizacionales Económico-financieras (altas inversiones)

20. Balance de masa y energía

21. Flujo Energético de una caldera

22. Balance Térmico Uno de los resultados de la auditoría energética es el Balance Térmico. Los balances se presentan en forma de tablas, diagramas, etc. Las dos maneras más frecuentes se aprecian en el Gráfico No. 1 y Tabla No.1 La interpretación de los balances permitirán identificar los proyectos de ahorro.

23. Gráfico No. 1: Diagrama de Sankey

24. Tabla No. 1 Z: humedad absoluta del aire comb., kg/kg

25. Ejemplo Se tiene una caldera de 900 BHP con una producción nominal de 13 500 kg/h de vapor saturado a 1,89 MPa de presión absoluta. Los resultados de las mediciones se aprecian en la siguiente Tabla No. 2 Se pide calcular el cálculo de la eficiencia térmica.

26. Tabla No. 2: Mediciones

27. Eficiencia de la caldera Método Directo Método Indirecto

28. METODO DIRECTO Donde: m sc : flujo de vapor sobrecalentado, kg/h m rc : flujo de vapor recalentado, kg/h h sc : entalpía de vapor sobrecalentado, kJ/h h w : entalpía de agua de alimentación, kJ/h h rc : entalpía de vapor de salida recalentado, kJ/h h r : entalpía de vapor de ingreso recalentado, kJ/h F : consumo de combustible, kg/h PCI : poder calorífico inferior, kJ/kg

29. Diagrama de flujo de masas

30. Ecuación simplificada Para una caldera de vapor saturado, la ecuación se reduce a: Donde: m s : flujo de vapor saturado, kg/h h s : entalpía de vapor saturado, kJ/h h w : entalpía del agua de alimentación, kJ/h

31. METODO INDIRECTO La eficiencia térmica se expresa con la siguiente ecuación: Donde: P g : Pérdidas de calor por gases de chimenea,% P i : Pérdidas de calor por inquemados,% P r : Pérdidas de calor por radiación,% P p : Pérdidas de calor por purgas,%

32. P g : Gases de chimenea Asociada principalmente al calor sensible del CO 2 , SO 2 , O 2 , N 2 , presentes en los gases de combustión. Donde: m g : flujo de gases de chimenea, m 3 /h Cp g : Calor específico medio de gases, kJ / kgK T g : Temp . de los gases de chimenea,°C T o : Temp . Ambiente,°C

33. P i : Inquemados Los inquemados nos indican la cantidad de calor que ha dejado de liberar la combustión al no alcanzar a completar las reacciones de oxidación. Las pérdidas por inquemados se pueden obtener sumando a las pérdidas debidas a la formación de CO y H 2 y C.

34. Cálculo de las pérdidas por inquemados Donde: CO : concetración volumétrica de CO en los gases secos de chimenea,% m fg : carbono inquemado en los gases de chimenea, kg/h

35. Incluyendo material de cenicero Donde: Pc : Poder calorífico del carbono, kJ /kg M fc : masa de combustible no quemado retirado de cenicero, kg/h m mc : masa de material (combustible no quemado + cenizas) retirado del cenicero, kg/h Cp mc : calor específico medio del material retirado del cenicero, kJ / kgK T mc : Temp . salida del material retirado del cenicero, °C

36. P r : Radiación Se determina con la siguiente fórmula: Donde: A i : área de la i-esima parte, m 2 a ri : coeficiente de radiación, kJ/h.m 2 .°C a ci : coeficiente de convección, kJ/h.m 2 .°C T i : temp. Promedio de la i-esima pared,°C

37. Coeficiente de radiación Donde: e: emisividad del material

38. Coeficiente de convección Paredes horizontales Paredes verticales de altura h, en m. Paredes cilíndricas de diámetro d, en m.

39. P p :Calor por purgas Donde: P : caudal de purgas, kg/h Cp w : calor específico del líquido, kJ / kg°C T s : temp . del líquido saturado, °C

40. Caudal de purgas Donde: SD w : sólidos totales disueltos en agua de alimentación, ppm SD: sólidos totales disueltos en interior de caldera, ppm W: caudal de agua de alimentación, kg/h

41. Eficiencia de Combustión Es una medida que indica cuanto efectivamente la energía química contenida en el combustible ha sido liberada en forma de calor durante el proceso de combustión. Pi: pérdidas de calor por inquemados, %

42. Método Directo De tablas de vapor: h s = 2 983 kJ/kg h w = 4,19 x 90 = 377,1 kJ/kg PCI = 39 500 kJ/kg (residual 6)

43. Método Indirecto Pérdidas por gases de chimenea: Cp g = 0,331 x 4,1868 = 1,386 kJ/Nm3°C

44. Pérdidas por inquemados : Pérdidas por radiación: Tarea para el alumno La solución es: Pr = 3%

45. Pérdidas por purgas: Cpw = 4,19 kJ/kg°C (valor práctico) Ts = 209,6 °C (de tablas de vapor) Finalmente:

46. IV. OPTIMIZACIÓN EN CALDERAS

47. . Medidas de buenas prácticas de gestión ( good housekeeping ) Medidas de inversión

48. . 1. BUENAS PRACTICAS DE GESTIÓN Las medidas son parte del mantenimiento y operación normal de las calderas. Algunas no implican ninguna inversión: Ajustar el exceso de aire Ajustar temperatura y presión de inyección del combustible al quemador Ajustar el tiro (presión dentro del hogar). Operar la caldera a factores de carga entre 60 y 70%. Reducir la presión de vapor al mínimo posible

49. . Mantener en buen estado componentes del sistema de combustión. Mantener en buen estado la instrumentación y controles. Mantener en buen estado los refractarios y aislamiento Limpiar tubos en el lado de los gases y agua Cambiar tubos cuando sea necesario.

50. . 2. MEDIDAS DE MAYOR INVERSIÓN Las siguientes medidas son las más importantes para el caso de Perú: Instalar sistema de control automático del exceso de aire. Implementar purga automática. Cambiar quemador de fuel oil ineficiente por quemador dual gas – fuel oil . Implementar economizador.

51. . BENEFICIOS EN CALDERAS Eficiencia % 82.8 % 86.4 % 89.3 % Actual Buenas prácticas Tecnologías de inversión 4.2% de ahorro 7.3% de ahorro

52. . Las calderas en el Perú consumen aprox 1.2 Millones TEP/año Las buenas prácticas permiten ahorrar 4.2% de energía: 50 Mil TEP/año 185 Mil Ton CO 2 /año Las tecnologías de inversión permiten ahorrar 7.3% de energía: 88 Mil TEP/año 321 Mil Ton CO 2 /año

53. . Una caldera de 400 BHP que consuma 500 000 gal/año de R-6 (0.94 $/gal) puede ahorrar : 19 700 US$/año sólo buenas prácticas (RI < 0.5 año) 34 300 US$/año con tecnologías de inversión (RI < 2 años) LA EFICIENCIA ENERGETICA ES UN BUEN NEGOCIO