OPERACIN EFICIENTE DE CALDERAS

ACERCAR Julio 2007

JUSTIFICACION
En toda planta de produccin que cuente con calderas, la calidad del producto final est relacionada con la eficiencia en su operacin. Buen mantenimiento en equipos trmicos y uso de combustibles adecuados para lograr buena combustin, minimiza
Interrupciones en los procesos Daos en materia prima y producto final Contribuye a disminucin de costos de funcionamiento Ayuda a minimizar el impacto ambiental

OBJETIVO
Dar herramientas de conocimiento y experiencia prctica a los participantes, para ser traducidos en criterios de operacin y mantenimiento que permitan la eficiencia en el uso de calderas.

METODOLOGIA
Exposicin magistral del docente, con participacin permanente de los asistentes y formulacin de cuestionamientos que permiten la consolidacin de criterios de operacin y mantenimiento que permitan la eficiencia en el uso de calderas.

DOCENTES
Ricardo Rodrguez
Tecnlogo en mantenimiento industrial, especialista en equipos

de generacin de vapor y calentamiento de aceite trmico Experiencia de ms de 20 aos en la industria textil, en las reas de montajes de equipos trmicos y produccin, entre otras.

Rubn Fajardo
mecnica. Experiencia de 10 aos en la industria qumica, farmacutica, de petrleos y metalmecnica, en las reas de sistemas de gestin, eficiencia energtica e impacto ambiental.
Ingeniero qumico, magister en ingeniera civil e ingeniera

PROGRAMA
TEMA Introduccin Generalidades de las calderas Componentes de las calderas Criterios para seleccin de calderas Procesos de combustin, combustibles y contaminantes Control de emisiones Operacin y mantenimiento de calderas Eficiencia energtica en calderas DOCENTE R. Fajardo R. Rodrguez R. Rodrguez R. Rodrguez R. Fajardo R. Fajardo R. Rodrguez R. Fajardo 1.5 1.0 2.0 2.5 1.0 4.0 2.0 TIEMPO (h)

PROGRAMA
TEMA Sistemas de control en calderas Tratamiento de aguas en calderas Anlisis de fallas y riesgos en la operacin de calderas Visita prctica DOCENTE R. Rodrguez R. Fajardo R. Rodrguez R. Rodrguez R. Fajardo TIEMPO (h) 2.0 1.0 2.0 4.0

GENERALIDADES DE LAS CALDERAS

ACERCAR Julio 2007

RESPONSABILIDADES DEL CARGO

Operacin adecuada. Respuesta oportuna del servicio. Controlar los costos. Mantenimiento apropiado. Evitar efectos en la produccin. Garantizar condiciones seguras. Cumplimiento de normas ambientales Procurar nuevas alternativas

Personal idneo ,manejo y asignacin del equipo. La prioridad es el cliente, cumplir parmetros. Operar al menor costo posible Cumplir programas con mejora continua. Paros inesperados, contaminacin de productos. Operario, personal de otras reas ,vecindad. Salud, costos, daos , imagen corporativa Motivacin personal, ampliar panorama.

TERMINOS Y UNIDADES BASICAS

Ebullicin Conversin de un liquido en vapor. Temperatura en la cual un liquido pasa a Punto de ebullicin gas. Evaporacin Conversin lenta de un liquido en vapor sin accin de temperatura. Vaporizacin Pasar de estado liquido a gaseoso por efecto del calentamiento Fusin Cambio de estado slido a liquido por efecto del calor. Punto de fusin Temperatura en la cual se produce el cambio de slido a liquido.

TERMINOS Y UNIDADES BASICAS

Inflamacin Punto de inflamacin. Sublimacin Sublimacin regresiva Condensacin Calor. Temperatura. Accin de arder Mnima temperatura en la cual los vapores de un combustible arden. Transformacin directa de slido a gaseoso. Condensacin directa de gaseoso a fase slida. Paso de un gas a fase liquida. Cantidad de energa trmica que posee un cuerpo. Es la medida de intensidad del calor.

TERMINOS Y UNIDADES BASICAS

Calora BTU BHP Calor necesario para elevar en 1 oC. ,un gramo de agua. (14.5oC--15.5oC) Calor necesario para elevar en 1 oF , una libra de agua . Unidad que en que se designa la capacidad de una caldera de vapor. Equivale a 34.5 libras de vapor. a 8434 kilocaloras. Fuerza de atraccin que ejerce la tierra a un cuerpo. ( Kg...) Intensidad con que una fuerza obra sobre la unidad de superficie.(Kg.../cm2. Unidad asignada a la produccin de un equipo generador.

Peso Presin Libra de vapor

Poder calorfico Cantidad de calor desarrollada por una unidad de combustible.

DEFINICION

Una calderas es un recipiente a presin diseado para generar vapor de agua, absorbiendo el calor liberado en la combustin de un combustible o tambin de gases calientes provenientes de un proceso externo o de elementos elctricos.

DEFINICION

Una caldera est compuesta por

Partes de presin, incluyendo superficies de calentamiento Conexiones para entrada y salida de agua y vapor Hogar Conexiones para el manejo de aire y gases Aislamiento y refractarios Soportes estructurales Estructura de soporte para el equipo de combustin y auxiliares Tapas para inspeccin y acceso Vlvulas y accesorios Sistemas de control

CLASIFICACION DE CALDERAS

Naturaleza del fluido.

Agua . Vapor. Aceite trmico. Baja, hasta 250 PSI Alta - desde 591 y ms PSI. Carbn y/o combustibles slidos. ACPM - Otros destilados livianos. Fuel Ol. Gas Natural - Gas propano Pirotubulares Acuotubulares

Presin de trabajo Media, desde 251 hasta590 PSI Tipo de combustible.

Circulacin de los gases.

CALDERA ACUATUBULAR

CALDERA PIROTUBULAR

Caldera pirotubular

COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR

Sistema de alimentacin de agua Equipos de tratamiento, se usan para retirar lodos, dureza y otros contaminantes del agua de alimentacin. Tanque de suministro, permite el almacenamiento de agua de consumo inmediato. Bomba de inyeccin, repone el agua consumida manteniendo el nivel mnimo requerido por el equipo. Tanque para retorno de condensados, existen plantas donde se recupera el condensado de vapor y luego se mezcla con el agua de alimentacin. Inyectores qumicos, accesorios que permiten dosificar el tratamiento.

COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR

Sistema de combustin
Tanques de recepcin y preparacin, se utilizan en calderas que utilizan combustibles lquidos. Filtros, retienen impurezas del combustible. Vlvulas de paso, permiten la regulacin o interrupcin del paso del combustible Bombas de inyeccin, alimentan el quemador. Precalentadores, se utilizan para bajar la viscosidad de los combustibles pesados. Quemador, sistema electromecnico para el quemado de combustible. Hogar, Lugar donde se desarrolla la combustin, condiciona la forma de la llama. Chimenea, ducto de salida de los gases de combustin. Instrumentacin, elementos de medicin que indican y controlan el estado de las diferentes variables que permiten controlar la combustin.

COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR

Sistema de control Indicadores de nivel, permiten visualizar el contenido de lquido en los tanques Modulador, regula el suministro de la mezcla adecuada aire - combustible Purgas, vlvulas de evacuacin de lodos Fotoceldas, accesorio elctrico para control de la llama Presstatos, instrumentos para control de presiones Flotadores, accesorios para control de nivel Dampers, compuertas utilizadas para la regulacin del paso de aire o gases Termostatos, instrumentos para control de temperaturas Programador, sistema electrnico que maneja la secuencia lgica de funcionamiento del equipo basado en las necesidades del sistema

COMPONENTES BASICOS DE UNA CALDERA PARA CALENTAMIENTO DE ACEITE TERMICO

Filtros. Capturan los slidos contaminantes del aceite. I1-I2 Termmetros de salida y entrada de aceite. Indicadores de temperatura en el circuito de aceite. K Conducto de suministro de aceite trmico. M Manmetro para salida de bomba. Indicador de presin en la circulacin. PA Sensor de presin. indicador de presin en lnea de conduccin

COMPONENTES BASICOS DE UNA CALDERA PARA CALENTAMIENTO DE ACEITE TERMICO

A. Alarma. Alarma de presin C. Cuerpo de calentamiento o serpentn. Recipiente donde el fluido adquiere el
calor a transportar.

B1. Bomba de circulacin. Mantiene en movimiento el aceite trmico. B2. Bomba de trasiego. Accesorio para inyeccin de aceite de nivelacin. D1. Deposito de expansin. Controla el aumento de volumen por calentamiento. D2. Deposito inferior. Almacena el aceite de reposicin. E. Mando elctrico del quemador. Recoge seales de los dispositivos de regulacin
y proteccin y emite rdenes al quemador para que se encienda o apague. Divisin interna de tanque para manejo de nivel.

F. Separador.

COMPONENTES BASICOS DE UNA CALDERA PARA CALENTAMIENTO DE ACEITE TERMICO

PD. Presstato diferencial. Monitorea la presin del circuito trmico. Q. Quemador. Sistema electromecnico para el quemado de combustible RP. Vlvula reguladora de presin. Controla el diferencial de presin
en el circuito. combustible

S. Sifn de seguridad. Permite detectar fugas internas de aceite T1. Termostato de ida. Instrumento de control de temperatura de aceite. T2. Termostato de chimenea. Instrumento de control de temperatura de
gases.

U. Consumidor del servicio. Equipos servidos por el circuito. V. Tubo de ventilacin. Deposito inferior. VA. Vlvulas de tres vas. Para cambio de sentido de flujo. Z. Sifn. Permite desairear el circuito.

COMPONENTES BASICOS DE UNA CALDERA PARA CALENTAMIENTO DE ACEITE TERMICO

CRITERIOS DE SELECCIN Y DISEO DE CALDERAS.

Necesidades de aplicacin del usuario. Fluido de circulacin. Potencia requerida Combustible a utilizar Costo de la inversin. Costos de funcionamiento. Impacto ambiental: ruido- emisiones.

1. NECESIDADES DE APLICACIN DEL USUARIO

Se debe considerar en qu tipo de procesos y qu temperaturas se requieren para el funcionamiento de la caldera. Por Ejemplo: Calentamiento de otros fluidos. Secado. Aplicacin de vapor directo.

2. POTENCIA REQUERIDA

Evaluar las especificaciones promedio y mximas que se deben manejar en el proceso. Por ejemplo: Temperaturas requeridas para el proceso. Libras de vapor/hora requeridas. Necesidades de reserva.

2. POTENCIA REQUERIDA

Evaluar las especificaciones promedio y mximas que se deben manejar en el proceso. Por ejemplo: Temperaturas superiores a 150C. Libras de vapor requeridas.

3. FLUIDO DE CIRCULACION

Evaluar qu fluido se requiere o es ms conveniente manejar, de acuerdo con las condiciones de operacin: Agua Aceite Trmico

4. COMBUSTIBLE A UTILIZAR

Al escoger el combustible a utilizar, tener en cuenta entre otros los siguientes aspectos: Costo de adquisicin. Garanta de suministro. Manejo de impactos ambientales: emisiones atmosfricas, residuos slidos, vertimientos Necesidad de tratamientos adicionales (requerimiento de equipos auxiliares y/o aditivos)

5. COSTOS DE INVERSION

Considerar la capacidad y expectativas de la Empresa en los siguientes aspectos: Capacidad de inversin. Proyectos de expansin. Nivel de ocupacin del equipo para estimar la recuperacin de la inversin.

6. COSTOS DE FUNCIONAMIENTO

Considerar la capacidad de la empresa para asumir entre otros, los siguientes rubros: Suministro del combustible y operacin de equipos auxiliares. Posibilidades para utilizar el equipo en otros procesos. Costo asociado por la operacin de equipos adicionales para manejo de combustibles y/o control de emisiones.

6. IMPACTO AMBIENTAL

Evaluar la conveniencia de un equipo y su combustible considerando, los siguientes aspectos, por ejemplo: Impactos a nivel de emisiones atmosfricas, ruido ambiental, vertimientos y residuos slidos de la operacin del equipo. Costos asociados para el manejo de estos impactos.

Combustibles y Combustin

COMBUSTIBLES Son sustancias que reaccionan qumicamente con otra sustancia, en general con el oxgeno del aire, para producir calor.

PODER CALORFICO
Energa trmica (calor) producida cuando una cantidad dada del combustible se quema bajo condiciones estndar o patrn. TIPOS. Poder calorfico Superior e Inferior

FUNDAMENTOS SOBRE COMBUSTIN COMBUSTIBLES. SLIDOS. Carbn Bagazo de caa. Retal de madera Gas propano. Gas Natural. ACPM Crudo Fuel Ol.

GASES.

LIQUIDOS.

REQUERIMIENTOS PARA QUE EXISTA COMBUSTION Combustible. Comburente Calor.

PROCESO DE COMBUSTIN
COMBUSTIBLE LQUIDO Y GASEOSO
ATOMIZACIN PRECALENTAMIENTO VAPORIZACIN MEZCLADO POST-CALENTAMIENTO IGNICIN ZONA DE REACCIN ZONA LUMINOSA ZONA DE GASES CALIENTES PRODUCTO DE COMBUSTIN

CARACTERISTICAS TIPICAS DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS

Gravedad API a 60 oF. (15.6 oC) Gravedad especifica a 60/60 oF (15.6 / 15.6 oC) Punto de inflamacin Viscosidad Contenido de azufre. Cenizas. (Vanadio, Nquel, Sodio, Cloruros, Hierro.) Residuos de carbn. Agua y sedimentos. (BSW) ( Lodo, arena, gomas, resinas, asfltenos) Poder calorfico.

PROCESO DE COMBUSTIN
COMBUSTIBLES SLIDOS
ALIMENTACIN PRECALENTAMIENTO SECADO POST-CALENTAMIENTO PIRLISIS GASIFICACIN QUEMA DE COQUE IGNICIN ZONA DE REACCIN ZONA LUMINOSA ZONA DE GASES CALIENTES

PRODUCTOS DE COMBUSTIN
PRESENCIA DE AGUA FSICA GENERACIN DE AGUA EN LA COMBUSTIN AGUA QUE TRAE EL AIRE CENIZAS DEL COMBUSTIBLE. SLIDOS, MATERIAL PARTICULADO, INQUEMADOS Y HOLLINES FORMADOS EN LA COMBUSTIN. AIRE DE COMBUSTIN NITRGENO AZUFRE

PRODUCTOS DE COMBUSTIN
CO CO2 VOLTILES ORGNICOS Y COMPUESTOS REACTIVOS. TEMPERATURA DE LLAMA COMPUESTOS INTERMEDIOS Y DISOCIACIN CONDICIONES TTT ADITIVOS MODIFICACIONES DE LAS CONDICIONES DE COMBUSTIN.

TIPOS DE COMBUSTIBLES
SLIDOS
Madera Carbn

LQUIDOS
ACPM, Kerosene Fuel Oil pesado e intermedio Crudos Metanol, disolventes

GASEOSOS
Gas Natural Propano

Bagazo Basuras y desechos

Gas Manufacturado Aire propanado

CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES

Combustibl %C e Carbn Crudo Fuel Oil ACPM Gas Propano Gas Natural 80 87 86 86 82 75 %H %S %Ceniza BTU/lb Neto 13590 17250 17784 13378 19854 21492 Kcal/unidad bruta de compra 7000/kg 39000/gal 39200/gal 35900/gal 23000/gal 8900/m3

5.5 10.6 11.5 13.7 25 25

1.5 2.3 1.84 0.07

5 0.08 0.1

EMISIONES
Combustible Carbn (lb/ton) ACPM (lb/1000 gal) Kerosene (lb/1000 gal) Fuel Oil 6 (lb/1000 gal) Crudos (lb/1000 gal) Gas Licuado Petrleo (kg/1000 l) Gas Natural (kg/10exp6 m3) Contaminante
PST NOx PST NOx PST NOx PST NOx PST NOx PST NOx PST NOx SO2 CO SO2 CO SO2 CO SO2 CO SO2 CO SO2 CO SO2 CO

Factor de Emisin 9 7.5 2 20 2 20 9.19S+3.22 55 9.19S+3.22 55 0.07 2.3 99 8800 39S 6 150S 5 150S 5 157S 5 157S 5 0.012S 0.4 9.6 640

APROVECHAMIENTO DEL PODER CALORFICO

NO TODA LA CAPACIDAD CALORFICA DEL COMBUSTIBLE SE APROVECHA EN LOS PROCESOS DE COMBUSTIN. LOS DIAGRAMAS DE SANKEY SON TILES PARA REPRESENTAR LAS PRDIDAS

Energa para vaporizar agua de combustible y de combustin

Energa sensible en gases Prdidas al medio Paredes Fugas e infiltraciones Cenizas calientes Equipo de Transporte Purgas y limpiezas

Poder superior

Poder inferior

Calor Disponible

Usado en proceso

Para almacenamientopr ocesos discontinuos

Diagrama de Sankey para un proceso de combustin

PRDIDAS EN LA COMBUSTIN
CONCEPTO PODER CALORFICO INFERIOR DESCRIPCIN UTILIZACIN PARCIAL DEL PODER CALORFICO SUPERIOR, POR PRESENCIA DE AGUA DE COMBUSTIN EN FORMA DE VAPOR LOS GASES SECOS SEDEN PARCIALMENTE EL CALOR DEBIDO A PROBLEMAS DE CORROSIN Y TIEMPO DE RESIDENCIA NO SE LOGRA APROVECHAR EL PODER CALORFICO INFERIOR NO SE AISLA BIEN, CENIZAS CALIENTES, AIRES INFILTRADOS, LIMPIEZA DE LAS PURGAS PRODUCE PRODUCTOS CALIETES. DESVO DE ENERGA HACIA ALMACENAMIENTO O ARRANQUES Y PAROS

ENERGA SENSIBLE PRDIDA EN LOS GASES SECOS Y CON EL VAPOR DE AGUA. INQUEMADOS Y PROBLEMAS DE COMBUSTIN PRDIDAS AL AMBIENTE

ALMACENAMIENTOS DE CALOR

PODER CALORFICO DE COMBUSTIBLES DE USO EN COLOMBIA

Combustibles Fuel-oil ACPM Kerosene Carbn de Amaga Gas Natural Lea Cascarilla de Arroz Gasolina Crudo de Castilla PCS ( K julios / Kg) 42.956 46.800 46.208 29.072 53.638 -12.800 46.904 42.857 PCI ( K julios / Kg) 41.363 44.726 43.050 24.495 46.414 17.500 12.500 43.565 40.834

ESTEQUIOMETRA DE LA COMBUSTIN
AIRE IDEALIZADO
Mezcla de 1 mol de oxgeno O2 y 3.76 moles de nitrgeno N2. Peso molecular = 28.9 gramos/gramo mol El aire tiene 21 % de oxgeno y 79 % de nitrgeno. 1 metro cbico de oxgeno equivale a 4.76 metros cbicos de aire.

ECUACIONES BSICAS DE LA COMBUSTIN

C
12 Kg 12 Kg

O2
32 Kg

CO2
44 Kg 22.4 m3n

22.4 m3n

Aire seco requerido para la combustin del carbono = 11.48 kg / Kg de C, , 8.86 m3n Aire / Kg Carbono (C). m3n son metros cbicos a condiciones normales ( 273 K , 0.0 C y una atmsfera de presin , (1013 x 105 Pa o 760 mmHg).

ECUACIONES BSICAS DE LA COMBUSTIN

H 2 2 Kg 2 Kg + O2 = 16 Kg 11.2 m3n H2O 18 Kg 22.4 m3n

Aire seco requerido para la combustin del Hidrgeno= 34.52kg / Kg Hidrgeno (H2), , 26.6 m3n Aire / Kg Hidrgeno (H2)

ECUACIONES BSICAS DE LA COMBUSTIN

S 32 Kg 32 Kg + O2 = 32 Kg 22.4 m3n SO2 64 Kg 22.4 m3n

Aire seco requerido para la combustin del Azufre = 4.31 kg de Aire / Kg Azufre (S), , 3.33 m3n Aire / Kg Azufre (S)

AIRE Y GASES DE COMBUSTIN PARA LA QUEMA ESTEQUIOMTRICA DE COMBUSTIBLES USADOS EN COLOMBIA

AIRE DE COMBUSTIN Combustibles Fuel-2 (Diesel) Kerosene Fuel-6 (Fuel-oil) Crudo de Castilla Carbn de Amag Carbn mineral, 35% Cenizas Madera de Eucalipto Gas natural Propano Kg/Kg Combustible 14,5 14,9 13,9 14,6 7,8 6,4 5,7 17,4 15,8 m3n/Kg Combustible 11,2 11,5 10,8 11,3 6,0 4,9 4,4 13,5 12,2 GASES DE COMBUSTION Kg/Kg Combustible 15,5 15,9 14,9 15,6 8,6 7,1 6,7 18,4 16,8 m3n/Kg Combustible 12,0 12,3 11,5 12,1 6,7 5,5 5,2 14,2 13,0

FACTORES

OBJETIVOS

ACCIONES

COSTOS

REDUCCIN DE COSTOS CAMBIO DE COMBUSTIBLE

NORMAS AMBIENTALES

COMBUSTIBLE

REDUCCIN DE LA CONTAMINACIN

EQUIPOS DE CONTROL CONTAMINACIN

RESERVAS

REDUCCIN DE LA EMISIN DE CO2

MEJORA EN LA EFICIENCIA DE LOS PROCESOS

EMISIONES DE CO2 POR UNIDAD DE ENERGA

93,1
100 90 80 70 CO 2/GJ 60 50 40 30 20 10 0

72,4 61,3 53,0

69,7

73,6

kg

Gas natural

G.L.P.

Kerosene

ACPM

Crudo

Carbn

EMISIN GLOBAL DE CARBONO (miles de millones de ton/ao)

Penetracin neta anual en la atmsfera: 3
Fotosntesis de las plantas Dilucin en el mar Tala de bosque s Combustibles fsiles

100

Respiracin de las plantas

Difusin en el mar

104

Descomposicin del suelo

50

100

50

Fuente: ESPECTRO DE LA CIENCIA. 1989