BALANCE DE ENERGIA A LA CALDERA N°05 DE LA EMPRESA AZUCADERA LADERO S.A.C

1. Descripción del problema

La Empresa azucadera LADERO S.A.C cuenta una planta procesadora de caña de azúcar rubia ,Siendo su materia básica la caña de azúcar, además de los productos mencionados, se obtiene el bagazo, que es utilizado como combustibles en las calderas para producir energía.

En la actualidad, esta empresa cuenta con cinco calderas acuotubulares que producen vapor sobrecalentado, de las cuales cuatro de ellas queman bagazo y una quema carbón. Las calderas bagaceras deben producir vapor sobrecalentado con una temperatura de 400°C. Siendo la caldera N°05 la que ha sido automatizada por una empresa brasileña, es la que produce un vapor de menos calidad. El rango de temperatura de vapor sobrecalentado obtenido por esta caldera es de 355 – 360°C, de este modo al mezclarse este vapor con el producido por las demás calderas se obtendrá un vapor sobrecalentado de menor nivel entálpico, afectando así el rendimiento de la central termoeléctrica.

A este problema se suma la pérdida de energía en los gases de escape que es expulsada por la chimenea, la misma que sale con una temperatura de 203ºC.

Debido a los problemas mencionados y al hecho en la planta no se aplica un plan de energía que incluya diagnósticos y balances semanales que permitan evaluar la magnitud y tipo de causas, se están produciendo pérdidas económicas para la empresa.

2. Formulación del Problema

¿En qué medida es factible la mejora del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor producido en base al análisis del nivel energético de la caldera 05 de la empresa azucarera LADERO S.A.C?

3. Justificación

3.1. Económico:

Reducir costo de consumo de combustible y con la mejor utilización de este.

3.2. Tecnológico:

Instalación de equipos que ayuden con la medición de variables que comprometan el cálculo mejorando el rendimiento del ciclo.

3.3. Social:

Disminuyendo el nivel de contaminación de los gases quemados cumpliendo con las normas de impacto ambiental, para una mejor calidad de vida para habitantes que rodeen esta empresa.

3.4. Institución:

Con la recopilación de información que pueda ayudar a mejorar el estudio de calderas y aumentar el conocimiento de los estudiantes de nuestra universidad.

3.5. Limitaciones

La Empresa no cuenta con algunos de los equipos de medición necesarios para realizar un adecuado análisis energético.

3.6. Delimitaciones

Este estudio se basará solo en la evaluación energética de la caldera N°05 en la Empresa Azucarera LADERO S.A.C.

Los parámetros de medición serán tomados en el circuito Ranking (Caldera, Turbina, evaporadores, Tachos; condensadores, desgasificador).

El balance para el análisis del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor producido se realizará también solo en el ciclo ranking y los equipos ya mencionados anteriormente.

4. OBJETIVO

4.1. Objetivo General

Realizar el balance de energía de la caldera Nº05 en base al análisis y toma de datos de trabajo.

5. VARIABLES

5.1. Variables de Entrada o independiente

- Poder Calorífico del combustible [KJ].

- Exceso de Aire.

- Superficie de intercambio de calor [m2].

5.2. Variables de Salida o Dependiente

- Entalpía del vapor producido [KJ/Kg].

- Rendimiento de la Caldera [%]

5.3. Variables Intervinientes

- Nivel de Capacitación del Operador de las Calderas

6.Población y Muestra

6.1. Población

Una caldera Acuotubular de marca Buckau R. Wolf, con generación de vapor nominal de 55 Ton/Hora, a una presión de trabajo de 31 bar y una temperatura de diseño de 400ºC que utiliza como combustible Bagazo.

6.2. Muestra:

Se considerará a la caldera Acuotubular de 55 Ton/Hora de vapor.

7.BALANCE ENERGIA CON PARAMETROS DE TRABAJO

Es importante tener en cuenta que la combustión de las calderas bagaceras y las carboneras tienen una gran diferencia, la caldera N°05 tiene como combustible el bagazo. Por esta razón, para los cálculos se tomó como referencia el método del libro Manual para Ingenieros Azucareros de E. HUGOT.

En la tabla N°01 se muestra los parámetros de trabajo de la caldera tomados de la instrumentación de la misma.

Tabla N° 01 DATOS DE OPERACIÓN DE LA CALDERA N°05

Flujo de vapor 55 TN/Hora

Presión de trabajo 31 bar

Temperatura del vapor 355°C

Temperatura de aire caliente

107.5°C

Temperatura del agua de 106°C

Alimentación

Combustible Empleado Bagazo

Temperatura de bagazo 30°C

Temperatura de gases en chimenea

206°C

Fuente: Departamento de Generación de Vapor LADERO S.A.A.

7.1.Cálculo de rendimiento actual de la caldera por el método indirecto

7.1.1. Composición de gases en chimenea

La composición de los gases necesarios para realizar los cálculos posteriores fue proporcionada por el Departamento de Generación de Vapor de la empresa, los cuales se presentan en la tabla N°01.

El contenido O2 de en los gases varía, como se puede observar en la tabla, de esta manera se asumirá un valor promedio para la realización de los cálculos

Tabla N° 02 ANALISIS DE GASES EN CHIMENEA

Medición O2 (%) CO2 (%)

1 12.2 8.3

2 8.1 12.2

3 7.5 12.9

Promedio 9.3 11.1

Fuente: Departamento de Generación de Vapor LADERO S.A.A.

7.1.2. Determinación del coeficiente de exceso de aire en chimenea

El coeficiente de exceso de aire se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

7.1.3. Cálculo de la relación aire – combustible

La humedad del bagazo tiene un valor de 50%. Este es un dato histórico de los últimos seis meses, aunque cabe anotar que el dato de humedad del bagazo es un dato que se registra cada hora y depende prácticamente del estado de los molinos ya que si estos no tienen un buen ajuste no habrá una buena extracción, por lo tanto el bagazo que va a las calderas tendrá un alto porcentaje de humedad. El valor promedio de humedad se asumirá 50%.

7.1.4. Cálculo de la relación gas – combustible

De esta manera se determina el peso de los productos gaseosos de la combustión por kilogramo de bagazo.

7.1.5. Cálculo de poder calorífico inferior del bagazo

Esta ecuación considera las siguientes pérdidas de calor:

- Calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en el bagazo, que se pierde en los gases con el vapor de esta agua, si no se condensa.

- Calor latente de vaporización del agua contenida en el bagazo, que de la misma manera se pierde en los gases de chimenea.

7.1.6. Cálculo de la pérdida de calor sensible

La pérdida más importante, que debe restarse, es la que corresponde al calor sensible arrastrado por estos gases. En una buena instalación, pueden obtenerse temperaturas de los gases de escape de entre 180 – 195°C. Para el caso de esta caldera marca 206°C.

7.1.7. Cálculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo

Puede calcularse ahora la cantidad de vapor que puede obtenerse de la unidad de peso del bagazo.

Las pérdidas de calor en el horno y en la caldera consisten en las siguientes:

a. Calor latente del agua que se forma por combustión del hidrogeno del bagazo.

b. Calor latente del agua contenida en el bagazo.

c. Calor sensible de los gases que dejan la caldera.

d. Pérdidas en solidos no quemados.

e. Pérdidas por radiación del horno y especialmente de la caldera.

f. Pérdidas debidas a la mala combustión del carbono

Los coeficientes de pérdidas en el caso de α es del orden de 0.99. Muy pocas veces desciende de este valor, a menos que se emplee un tiro muy fuerte que arrastre a la chimenea pedazos relativamente grandes de bagazo, lo cual no ocurre en esta caldera.

Para β varía entre 0.95 a 0.99, de acuerdo con el aislamiento más o menos eficiente de la caldera. Si la caldera está bien aislada puede tomarse 0.99. Para esta caldera asumiremos 0.98.

En cuanto a η puede variar de 0.8 a 0.9. Este coeficiente será mejor de acuerdo con: La humedad del bagazo y el poco exceso de aire. Asumiremos 0.85.

7.1.8. Cálculo de consumo de bagazo

Para la determinación del flujo másico de bagazo fue necesario tomar algunos datos de operación, y a partir de estos poder encontrar la variable mencionada.

Los datos necesarios para la realización de este cálculo se citan en la tabla N°02.

7.1.9. Cálculo de flujo másico de aire que ingresa al hogar

7.1.10. Cálculo de flujo másico de gases de combustión en fase inicial

7.1.11. Cálculo de temperatura de gases de combustión en fase inicial

Las temperaturas se obtuvieron de medidores, citadas en la tabla N°02. Finalmente reemplazamos:

7.1.12. Cálculo del consumo específico de vapor

7.1.13. Cálculo de calor total producido en la combustión

7.1.14. Rendimiento de caldera por el método indirecto

7.2. Cálculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador

Para el cálculo de las temperaturas se consideró asumir una eficiencia en el intercambiador de calor, de tal manera que los parámetros calculados coincidan con los datos medidos por la instrumentación de la caldera, las cuales se presentan en la figura N°01. A continuación se presenta la fórmula general que emplearemos en todos los intercambiadores.

Además se calculará el calor útil necesario para cada intercambiador de calor, esto determinará qué porcentaje del calor total se utilizó en cada intercambiador; así como también servirá para desarrollar nuestro diagrama de sankey.

Fuente: Departamento de Generación de Vapor LADERO S.A.A.

7.2.1. Temperatura de gas a la salida de vaporizador

7.2.2. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador secundario

7.2.3. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador primario

7.2.4. Temperatura de gas a la salida de economizador

7.2.5. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N°1

Los precalentadores se encuentran en paralelo, por lo que los gases de combustión se divide entre 2 para realizar el cálculo tanto para el precalentador N°A1 como para el precalentador N°A2.

7.2.6. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N°2

El paso a seguir es calcular los coeficientes globales de transferencia de calor, utilizando el calor útil determinado en cada intercambiador y las superficies de transferencia de estas citadas en la tabla N°03.

7.3. Cálculo de coeficiente global de transferencia de calor en cada intercambiador

Para este análisis se consideró tomar las superficies de intercambio de calor existentes, esto nos permitirá comparar con los parámetros de rango normal de una caldera.

Para la realización de cálculos realizados en los intercambiadores de la caldera se tomó las condiciones de operación promedio, las cuales se citan en la figura N°01.

La fórmula para el cálculo de la media logarítmica de las diferencias de temperatura es:

Fuente: Departamento de Generación de Vapor LADERO S.A.C

7.3.1. Coeficiente global de transferencia en vaporizador

7.3.2. Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador secundario

7.3.3. Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador primario

7.3.4. Coeficiente global de transferencia en economizador

7.3.5. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N°1

7.3.6. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N°2

8. CONCLUSIONES

- El análisis del balance de energía en la caldera n-05 nos permitio ver la forma de operación y parámetros de trabajo para en un futuro la empresa pueda definir la factibilidad técnica del mejoramiento del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor a travez del análisis energético realizado.

- El análisis permitirá a la empresa ubicar posibles problemas en el sobrecalentador y precalentador de aire .

9.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

- MARÍN HERNÁNDEZ, Juan José. “Balance Exergético de Calderas que quema Biomasa”, X Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana de Hidrógeno.27 de Septiembre del 2010.

- YUNUS CENGEL, Michael Boles. Termodinámica. Mc Graw- Hill- México (1996).

- SILVA LORA, Electo. “Calderas De Vapor Y Cogeneración En La Industria Azucarera”, Universidad Federal De Itajubá Minas Gerais / Brasil. Año del 2003

- MARÍN HERNÁNDEZ. “Aplicación del método Exergético para determinar pérdidas separadas e irreversibles en Calderas Bagaceras”. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Año 2007. p.10

- Parametros de trabajo para el balance de energía otorgado por: Departamento de Generación de Vapor LADERO S.A.A.