Universidad César Vallejo

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Estudio y análisis de los métodos y parámetros
para la utilización de carbón antracita como combustible
alternativo en calderas de generación de vapor.
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA
Universidad César Vallejo
Facultad de Ingeniería
_________________________________________
Escuela de Ingeniería Mecánica
PROYECTO DE TESIS
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE LOS MÉTODOS Y PARÁMETROS PARA
LA UTILIZACIÓN DE CARBÓN ANTRACITA COMO COMBUSTIBLE
ALTERNATIVO EN CALDERAS DE GENERACIÓN DE VAPOR
Autores:
Augusto Carlos Palza Bernuy
Freddy Wilmer Guerra Casana
Docente Supervisor:
Ing. Luis Julca Verástegui
Asesor:
Ing. Rosario Paredes
Trujillo – Perú
Abril – Julio 2006
Augusto Palza Bernuy
Freddy Guerra Casana
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PROYECTO DE TESIS
I. GENERALIDADES
1. Título tentativo
Estudio y análisis de los métodos y parámetros para la utilización de carbón
antracita como combustible alternativo en calderas de generación de vapor.
2. Autor(es)
Palza Bernuy Augusto Carlos
Guerra Casana, Wilmer Freddy
3. Asesor:
Ing. Raúl Paredes Rosario
4. Tipo de investigación
4.1. De acuerdo al tipo de investigación: Aplicada.
4.2. De acuerdo a la técnica de contrastación: Descriptiva.
5. Área de la investigación
Área de Energía
6. Lugar de Investigación
TRUPAL S.A. – Malca, Stgo. De Cao
7. Institución que investiga
Universidad César Vallejo (Trujillo – Perú)
Alumnos de escuela profesional de Ing. Mecánica IX ciclo
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8. Duración del proyecto
3 Meses. (2 de mayo 2006 – 22 de julio 2006)
II. PLAN DE INVESTIGACION
1. El Problema
1.1. Realidad problemática
En el Mundo: De todos los combustibles fósiles, el carbón es por mucho el más
abundante en el mundo. Se ha estimado que a fines del año 2005 existirá más de 1
billón (1x1012) de toneladas en reservas totales accesibles de forma económica, y
mediante las tecnologías de explotación actualmente disponibles. De estas reservas
aproximadamente la mitad corresponden a carbón de alto rango o carbón antracita.
No solamente existen grandes reservas, sino que también están geográficamente
esparcidas en más de 100 países en todos los continentes. La abundancia de las
reservas constituye una disponibilidad de suministro durante mucho tiempo. A los
niveles de producción de 2005, las reservas de carbón son suficientes para los
próximos 250 años. La cifra anterior considera los recursos carboníferos que
pueden probarse durante las exploraciones en curso, aquellos recursos que se
vuelvan accesibles a medida que se hagan mejoras en las tecnologías de explotación;
o se vuelvan comerciales por el incremento en el uso de carbones de bajo rango,
cuya utilización no es actualmente rentable.
Las relaciones actuales de reservas de carbón son aproximadamente 4 veces las
reservas de petróleo. La disponibilidad de reservas abundantes y fácilmente
accesibles también significa disponibilidad de energía estable para países tanto
importadores como productores.
Del total de carbón producido en 1998, más de 500 MMton fueron comercializadas
internacionalmente. Se estima que el comercio internacional del carbón bituminoso
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continuará creciendo por encima de 560 MMton en al año 2000. La oferta de
carbón térmico y metalúrgico, por lo general mantienen la misma tendencia. En
1998 se comercializaron 510 millones de carbón de bituminoso, de las cuales cerca
de un 60% fue carbón térmico, y un 40% fue carbón metalúrgico. El comercio de
carbón térmico en los últimos 20 años presenta un crecimiento del 7% anual.
Fuente: (Energy Information Administration, International Energy Outlook
1998-2020, DOE/EIA)
El Perú alberga un considerable potencial de carbón cuyo aprovechamiento ofrece
interesantes y variadas oportunidades para los inversionistas. Las mejores
posibilidades presentan la explotación e industrialización de la antracita de los
Andes Nor-occidentales. La costa Norte del Perú, próxima a los yacimientos, se
está industrializando y necesita el carbón como materia prima y/o como fuente de
energía. El potencial de las antracitas en la Sierra Norte tiene el orden de cientos de
millones de toneladas. Una gran parte de la antracita tiene un alto poder calorífico y
puede utilizarse para fines especiales e inclusive exportarse.
Dicho potencial se aprovecha de manera muy limitado. Según el Ministerio de
Energía y Minas el Perú produjo últimamente unas 31,000 TM/año de antracita no
sobrepasando la extracción anual a 81,000 TM. Actualmente las explotaciones de
antracita en el Perú son muy pequeñas y primitivas, el transporte es muy caro, la
producción es heterogénea y el suministro inseguro. La mayor parte de la antracita
extraída se utiliza sin lavado como combustible barato en las ladrilleras y sólo una
pequeña fracción en las industrias. No habiendo suministro adecuado no se ha
desarrollado el mercado para los carbones nacionales.
Fuente: Ministerio de Energía y Minas año 2005
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El aumento progresivo del precio del petróleo y derivados en el Perú, nos conlleva
a la búsqueda de nuevos combustibles alternativos, para su utilización en la
industria nacional, según la balanza comercial de petróleo y derivados es deficitaria
desde 1988 cuando el Perú pasó de ser exportador neto de combustible a un
importador neto. La creciente demanda interna de combustible, unido a la menor
producción nacional de crudo, condujo a demandar cada vez más combustible
importado. Debido a ello, en el 2003 la balanza de petróleo y derivados fue
deficitaria en US$ 681 millones.
Las mayores cotizaciones del petróleo crudo en el mercado internacional incidieron
de manera importante en el mercado nacional. Los precios internos de
combustibles aumentaron, en promedio, 11,2% durante el período enero–agosto de
2004. Esta alza explica, en parte, que la inflación acumulada a agosto de 2004 haya
sido de 3,2% (la contribución del incremento de los precios locales de los
combustibles derivados del petróleo fue 0,54%).
Fuente: BCRP, memorias varias
1.2. Justificación:
Ante la realidad problemática, basada, en la utilización del recurso natural como es
el carbón antracita y el elevado costo actual del petróleo y derivados; este proyecto
de investigación encontró una manera óptima de combinar estas dos necesidades
que genera el problema.
Estudiando las nuevas tecnologías para hacer posible la participación del carbón
antracita como combustible alternativo en la generación de vapor y a su vez reducir
el precio del mismo en la industria nacional.
1.3.
Formulación:
¿Cuáles son lo métodos y parámetros óptimos, para la operación de calderas de
generación de vapor usando como combustible alternativo carbón antracita?
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1.4. Limitaciones:
- Este proyecto se basará solamente en el uso del carbón antracita como combustible
alternativo, más no el impacto ambiental que podría generar.
- Este proyecto se basará sólo en acondicionamiento de la caldera para hacer posible
el uso del carbón como combustible alternativo, y no con sistema dual.
- Este proyecto, se llevará a cabo, totalmente en el aspecto bibliográfico.
2.
Objetivos
2.1. General:
Encontrar los métodos y parámetros óptimos de utilización del carbón
antracita como combustible alternativos en calderas de generación de vapor
2.2. Específicos:
- Demostrar tecnológicamente que el uso del carbón como combustible
alternativo en calderas de generación de vapor es competitivo con otros
combustibles convencionales.
- Dar a conocer la importancia del carbón antracita en la participación de la
industria mundial.
- Elaborar, el diagrama de flujo de la instalación, con indicación de flujos y
condiciones de operación.
- Elaborar la tabla de flujo de componentes y flujos totales.
- Encontrar los nuevos parámetros de los circuitos de combustible /
cenizas; aire / gases y agua / vapor.
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- Encontrar los coeficientes de exceso de aire.
- Encontrar las emisiones de cenizas y carbono inquemado en la
combustión.
- Dimensionar el hogar de la caldera con carbón antracita como
combustible alternativo.
- Dar a conocer los sistemas de inyección de carbón en calderas
- Realizar los cálculos justificativos.
- Realizar un análisis económico del proyecto.
- Elaborar un programa, para obtención de nuevos parámetros de una
caldera, cambiando el combustible.
2.3 Marco Referencial
2.3.1 Antecedentes:

Evaluación del Uso de Carbón como Combustible en la Central
Termoeléctrica “Comandantes Luis Piedrabuena”
Autores: Ing. Braulio R. Laurencena e Ing. Aloma Sartor.
Grupo de estudio de Ingeniería Ambiental, UTN
Abril 2001 – Bahía Blanca, Argentina

Uso de carbón como combustible alternativo, en los hornos de Cementos
Pacasmayo S.A.A
Dpto. Investigación y desarrollo
Agosto 1998 – Pacasmayo, La Libertad
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
Caracterización del sistema de molienda de carbón pulverizado de una
central térmica mediante simulación CFD
Autores: A. Gil, I. Iranzo, E. Domingo, I. Arauzo
Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº 28, Nº 162, 2002,
pags. 76-82

Aplicación de códigos CFD a la simulación del funcionamiento de una
caldera de carbón pulverizado de 350MW
Autores: A. Gil, I. Iranzo, C. Cortés, E. Domingo
Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº 27, Nº 160, 2001,
pags. 57-65
2.3.2 Análisis del problema, estado inicial, estado final o de salida
ESTADO INICIAL
Caldera de
generación de
vapor utilizando
como combustible
petróleo
ESTADO FINAL
ESTUDIO Y
ANALISIS DE
CALDERAS DE
GENERACION DE
VAPOR
Caldera de
generación de
vapor utilizando
como combustible
alternativo carbón
antracita
- Parámetros de operación
- Método de utilización
2.3.3 Marco Teórico
I. GENERALIDADES DEL CARBÓN
1. ¿QUÉ ES EL CARBÓN?
El carbón es un mineral de origen orgánico constituido básicamente por carbono.
Su formación es el resultado de la condensación gradual de la materia de plantas
parcialmente descompuestas a lo largo de millones de años.
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2.TIPOS DE CARBÓN
Las plantas al descomponerse forman una capa llamada Turba, una ves
compuesta esta capa, se inicia la formación del carbón.
TIPO DE CARBÓN
Lignito
DESCRIPCIÓN
Se forma una vez comprimida la turba. Es el de
menor valor calorífico porque se formó en épocas
mas recientes y contiene menos carbono y más agua.
Es una sustancia parda y desmenuzable en la que se
pueden reconocer algunas estructuras vegetales.
Concentración carbono: 30%
Hulla
Se origina por la compresión del lignito. Tiene un
importante poder calorífico por lo que se utiliza en
las plantas de producción
de energía. Es dura y
quebradiza, de color negro
Concentración de carbono: entre 75 y 80 %
Antracita
Procede de la transformación de la hulla. Es el mejor
de los carbones muy poco contaminante y de alto
poder calorífico. Arde con dificultad pero desprende
mucho calor y poco humo. Es negro brillante y muy
duro.
Concentración de carbono: hasta un 90%
3.CARBÓN ANTRACITA
Es el carbón de mejor calidad, procede de la transformación de la hulla. Se utiliza
sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. Aunque se
inflama con más diferencia que otros carbones, libera una gran cantidad de
energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.
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Se formó hace unos 250 millones de años, durante los períodos Carbonífero y
pérmico, en la era Primaria.
3.1 PROPIEDADES DEL CARBÓN ANTRACITA
Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor en
materia volátil de los tres tipos mencionados. Contiene aproximadamente un
87,1 % de carbono, un 9,3 % de cenizas y un 3,6 % de material volátil. Tiene
un color negro brillante de estructura cristalina, Su poder calorífico tiene un
valor aproximado de 8.300 Kcal/Kg.
II. CALDERAS
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para
producir vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser
suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro
aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila
atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es
suministrado por en líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen
emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor.
El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de
calderas de una cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada a
otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de agua, economizadores)
o el aire de combustión (precalentador de aire), y otros recalientan el vapor
(recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del
grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador.
Los aparatos que quitan su vapor al fluido refrigerador de un reactor nuclear (pila
atómica), si bien constituyen verdaderos evaporadores o calderas en sentido amplio
de la palabra, se denominan normalmente intercambiadores. Durante su
funcionamiento, la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la
presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros
elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a partir de la bomba de
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alimentación (economizador, recalentador), están sometidos casi a la misma
presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición.
La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre
todo, se ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas
calentadas por hogares. Las primeras calderas consistían esencialmente en
recipientes cerrados, cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la
irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes. Para obtener, además,
grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas con
hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectados a éste
mediante conductos tubulares. En este sentido ha constituido una nueva etapa la
aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo principal está atravesado por
un haz tubular.
Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha consistido en
emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de
plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.
2.1 TIPOS DE CALDERAS
2.1.1 ACUATUBULARES
Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas
en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un
menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para
accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para
aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor
a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso
natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban
diseñadas para quemar combustible sólido.
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La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que
exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso,
que son la presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua,
con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre
sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser
vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su
temperatura.
VENTAJAS:

La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas
presiones dependiendo del diseño hasta 24.6 (Kg./cm2)

Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500 (Kw.).

Por
su
fabricación
de
tubos
de
agua
es
una
caldera
"INEXPLOSIBLE".

La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de
humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la
capacidad.

El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de
trabajo no excede los 20 minutos.

Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.

Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación
automática.

Son utilizados quemadores ecológicos para combustión, gas y diesel.

Sistemas de modulación automática para control de admisión airecombustible a presión.

El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco,
por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de
tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa
en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante,
aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
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2.1.2 PIRUTUBULARES
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de
disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular
de transmisión de calor y una cámara superior de formación y
acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida
de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra
cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y
abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases,
equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se
efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del
cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa
posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo con sus accesorios, se asienta sobre un soporte
deslizante en una bancada sólida de firme construcción, suministrándose
como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras
realizar las conexiones e instalación.
2.2 CALDERAS DE VAPOR
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que,
aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el
agua para aplicaciones en la industria.
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Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir
vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada
"marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la
cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de
baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de
funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial
inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua,
de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual
comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante
muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente
terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja
velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por Kw de potencia,
necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar
vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de
pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular con haz de tubos amovibles,
preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de
combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua
que rodea a esos tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a
medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-
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pie/minuto o sea 550 (libras-pie/seg), valor que denominó HORSE POWER,
potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de
76 (Kg.xm/seg). Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París,
resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo
Vapor" en homenaje a Watt.
2.2.1 PROCESO DE VAPORIZACIÓN
El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor
del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera,
elevando, de esta manera, su presión y su temperatura.
Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el
recipiente contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal
que se logren los limites de diseño deseado, con un factor de seguridad
razonable.
Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción
domestica, la presión máxima de operación es de 1.06 (kg/m2). En el caso
del agua caliente, esta es igual a 232 oC.
Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas,
con base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la
unidad.
2.3 IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE
Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de
(kilocalorías / kilogramo) que suministran al quemarse), un grado de humedad y
unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas.
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Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la
combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las
diferentes combinaciones químicas.
El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros)
que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos
grandes categorías.
Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,
cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.
Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como
tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.
El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar
una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio
que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una
cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se
realice la combustión completa.
Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el
tiempo necesario para que la mezcla sea íntima para que el combustible arda
completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la
combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste
en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el
cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.
2.4 TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA
Se denomina aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad
estequiométrica de este, necesaria para una combustión completa
Se considera que un combustible (sólido o líquido) está formado por carbono,
hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en peso.
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PC Kg. de carbono / Kg. de combustible
PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de combustible
PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de combustible
PS Kg. de azufre / Kg. de combustible
de tal forma que se verifique:
Teniendo en cuenta que las reacciones químicas de la combustión completa
son:
y teniendo en cuenta los pesos moleculares correspondientes, se tiene que para
quemar Pc Kg. de carbono, se necesita:
32
PC kg de oxígeno = 2,67 Pc kg de O2
12
De la misma forma, para quemar los PH2 Kg. de hidrógeno, se necesita:
16
PH2 kg de oxígeno = 8 PH2 kg de O2
2
y para la combustión completa de los Ps Kg. de azufre se necesitarán:
32
PS kg de oxígeno = PS kg de O2
32
Ahora bien, como el combustible contiene ya PO2 Kg. de oxígeno, el oxígeno
mínimo que hay que aportar para producir la combustión completa de 1 Kg. de
combustible será:
Om = 2,67 PC + 8 PH2 + PS - PO2 kg de oxígeno.(1)
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Como la composición media, en peso, del aire es aproximadamente de 21% de
oxígeno y 79% de nitrógeno, el aire mínimo expresado en kilogramos será:
Am 
Om 2,67PC + 8 PH2 + PS - PO2

0,21
0,21
La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es
obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más
posible, la energía química contenida en potencia en el combustible. Esta
energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la
combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y
recalentarlo. La diferencia entre la energía en potencia, contenida en el
combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida
(calorías perdidas). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas
pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas.
2.5 TIPOS DE COMBUSTIBLES PARA CALDERAS
TIPO
NATURAL
Antracita
SÓLIDO
Hulla
Lignito
Turba
MANUFACTURADO
Coque
Carbón de leña
Briquetas
Alquitrán
Destilado de petróleo
LÍQUIDO
Petróleo
Residuos de petróleo
Alcoholes
Combustible coloidales
Gas de agua
Gas de aceite
GASEOSO
Gas Natural
Gas de alto horno
Gas de gasógeno
Acetileno
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2.6 CAPACIDAD CALORÍFICA
La combustión es el conjunto de combinaciones químicas que se producen en
ciertas condiciones, desprendiendo calor, cuando se pone en contacto un
combustible y un carburante.
2.7 COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR
1) El hogar con su parrilla, cámara de combustión, cenicero, y altar.
2) La caldera propiamente dicha, compuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa
de acero herméticamente sellado y expuesto a la acción de las llamas y de
los gases calientes.
3) El conducto de humos, que conduce a los productos de la combustión
desde el hogar hasta la base de la chimenea.
INSTALACION DE GENERACION DE VAPOR
EQUIPO
PRINCIPAL
CALDERA DE
VAPOR
HOGAR
EQUIPO
AUXILIAR
ACCESORIOS CONSTRUIDOS
CON LA CALDERA
ECONOMIZADOR
VENTILADOR AIRE
FRESCO
EXHAUSTOR GASES
RESIDUALES
SOBRECALENTADOR
VAPORIZADOR
PRECALENTADOR DE AIRE
CONDUCTOS DE
AGUA Y VAPOR
ESTRUCTURA METALICA
CHIMENEA
MAMPOSTERIA ROJA Y REFRACTARIA
FIG. AGRUPAMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA CALDERA
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2.8 TRANSFORMACION DE LA ENERGIA EN UNA CALDERA
2.8.1 CIRCUITO COMBUSTIBLE – CENIZA
Formado por la combustión del combustible en el hogar de la caldera,
en el cual la energía química es transferida algas bajo forma de calor,
mientras que los cuerpos incombustibles quedan bajo forma de ceniza,
en función de las condiciones específicas, los residuos sólidos de la
combustión son retornados al sitio de alimentación con combustible,
son depositados correspondientemente o, luego de una operación de
preparación, se le da una utilización cualquiera en construcción.
2.8.2 CIRCUITO AIRE – GASES
Consta del aire tomado de la atmósfera para la combustión y los gases
resultados de combustión, los cuales después que recorren las
superficies de calentamiento de la caldera, son evacuados a la atmósfera;
el volumen de aire – gases crece por la absorción de calor, para que, por
enfriamiento, se reduzcan de nuevo.
2.8.3 CIRCUITO AGUA – VAPOR
Está compuesto por el precalentamiento, la vaporización del agua y el
sobrecalentamiento del vapor debido al calor transmitido, por las
superficies de calentamiento de los componentes de la caldera, por los
gases de combustión.
2.8.4 SUPERFICIES DE CALEFACCION EN LA CALDERA
Reciben el nombre de superficies de calefacción de una caldera todas
aquellas partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto
con el agua y por el otro lado reciben calor. La superficie de calefacción
se mide del lado que recibe calor y se expresa en m2. La superficie de
calefacción consta de:
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a) Superficie de calefacción directa. Es la que por un lado esta en
contacto con el agua y por el otro recibe calor directamente de las
llamas.
b) Superficie de calefacción indirecta. Es la que por un lado esta en
contacto con el agua y por el otro recibe calor que le entregan los gases
de combustión.
c) Superficies de calefacción final. Es igual a la suma de las dos
anteriores
2.8.5 CAPACIDAD DE PRODUCCION HORARIA DE VAPOR
Es la cantidad, en kg de vapor que produce una caldera por hora. Como
la cantidad de vapor que puede producir una caldera, quemando la
misma cantidad horaria de combustible, depende de la presión de vapor
y de la temperatura con que se introduce el agua en la misma, al
expresar la producción horaria de vapor de una caldera de una caldera
deberán mencionarse estos últimos datos.
2.8.6 PRODUCCION ESPECÍFICA DE VAPOR O VAPORIZACION
Son los kg, de vapor que produce, la caldera por hora y por m2 de
superficie de calefacción.
2.8.7 SUPERFICIE DE VAPORIZACION
Es la superficie que separa, en cualquier instante, el espacio ocupado
por el agua del que ocupa el vapor. Podríamos decir que es la superficie
libre del agua.
2.8.8 POTENCIA DE UNA CALDERA
La forma mas correcta de establecer la capacidad o potencia de una
caldera es referirse a su producción de vapor horaria, fijando también la
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presión de dicho vapor, y su temperatura si es sobrecalentado, y la
temperatura del agua de alimentación.
III.SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DEL CARBÓN PARA CALDERAS
3.1 SISTEMAS DE CARBÓN PULVERIZADO
La industria se ha esforzado continuamente para incrementar las eficiencias de
las plantas convencionales; por ejemplo, la eficiencia térmica promedio de las
centrales de generación en los Estados Unidos se ha incrementado de un 5% en
1900 hasta casi un 35% actualmente. Las nuevas plantas de generación con
sistemas de pulverización convencionales alcanzan eficiencias superiores al
40%. Las plantas modernas avanzadas utilizan aleaciones de acero,
especialmente desarrolladas para alta resistencia que hacen posible el uso de
vapor a condiciones supercríticas y ultra-supercríticas (presiones mayores a 248
bar y temperaturas mayores a 566° C) y pueden alcanzar, dependiendo de la
localización, cerca del 45% de eficiencia. Esto conduce a una reducción en las
emisiones de CO2, por cuanto se usa menos combustible por unidad de
electricidad producida.
3.2 COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIZADO
La combustión en lecho fluidizado es un método para quemar carbón en un
lecho de partículas calientes suspendidas en una corriente de gas. A una tasa de
flujo suficiente, el lecho actúa como un fluido y permite una mezcla rápida de
las partículas. El carbón es adicionado al lecho y la mezcla continua estimula la
combustión completa y una menor temperatura que en los sistemas de
combustión con carbón pulverizado. Los lechos fluidizados tienen las ventajas
de producir menos NOx en el gas de salida, y debido a las menores
temperaturas de combustión producen menos SOx cuando se adiciona
continuamente caliza al carbón. Esta tecnología puede también usar un rango
más amplio de combustibles que las tecnologías de combustibles pulverizados.
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Los lechos fluidizados de presión atmosférica están comercialmente disponibles
en dos tipos: lecho burbujeante (conocido como combustión en lecho
fluidizado atmosférico - AFBCs) y el lecho circulante (CFBCs). La eficiencia de
la mayoría de los lechos fluidizados usados para la generación de electricidad es
similar a la de las plantas convencionales de carbón pulverizado. Sin embargo, el
uso de esta tecnología ha sido estimulada debido a su mejor desempeño
ambiental. Los lechos fluidizados presurizados, los cuales pueden alcanzar
eficiencias del 45%, están en etapas avanzadas de demostración. Como en las
plantas de combustibles pulverizados, la utilización de condiciones de vapor
más altas podría aumentar aún más la eficiencia.
3.3 CICLO COMBINADO CON GASIFICACIÓN INTEGRADA (IGCC)
Una alternativa a la combustión de carbón es la gasificación de carbón. Cuando
el carbón entra en contacto con vapor y oxígeno, se producen reacciones
termoquímicas que generan un gas combustible compuesto principalmente por
monóxido de carbono e hidrógeno, el cual cuando es quemado puede ser usado
para turbinas de gas. Los sistemas de generación de electricidad con ciclos
combinados de gasificación integrada de carbón (IGCC) están actualmente en
desarrollo y demostración. Estos sistemas permiten incrementar las eficiencias
al usar el calor residual del gas para producir vapor para mover una turbina de
vapor adicional a la turbina de gas. Los sistemas existentes en estado de
demostración comercial buscan alcanzar eficiencias del 42% y se espera, cuando
sean plenamente comerciales, que lleguen al 50%, con tecnologías y materiales
actualmente en desarrollo. Los sistemas IGCC producen adicionalmente menos
residuos sólidos y menos emisiones de SOx, NOx y CO2. Hasta el 99% del
azufre presente en el carbón puede ser recuperado para venderse como azufre
químicamente puro.
3.4 SISTEMAS HÍBRIDOS
Los ciclos combinados híbridos se encuentran actualmente en desarrollo. Estos
combinan las mejores características de las tecnologías de gasificación y
combustión, usando carbón en un proceso de dos etapas. La primera etapa
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gasifica la mayoría del carbón y mueve una turbina de gas, la segunda etapa
quema el carbón residual (carbonizado) para producir vapor. Con estos sistemas
puede ser posible alcanzar eficiencias mayores al 50%.
Adicionalmente a estas tecnologías limpias, un desarrollo que puede ser
aplicado a todos los sistemas de generación es la combustión simultánea con
carbón de biomasa o residuos. Esto implica quemar o gasificar dichos
materiales con carbón. Entre los beneficios se incluyen la reducción en
emisiones de CO2, SOx y NOx, en relación con plantas que queman
únicamente carbón y la recuperación de energía útil de biomasa y residuos con
alta eficiencia, evitando construir plantas con este propósito. De aquí que la
industria de generación de electricidad con carbón puede apoyar las industrias
de energía renovable y manejo de residuos.
2.4 Variables o Parámetros del problema
Parámetros influyentes
Variable
De
Entrada
Caldera de Generación de
vapor
Variable
De
Respuesta
Variables de Entrada :
1. Carbón antracita
Variables de Respuesta:
1. Eficiencia de la caldera
2. Costo de generación de vapor.
3. Especificaciones, características técnicas de la caldera
4. Parámetros de eficiencia de la caldera
Parámetro o requisitos influyentes:
1. Composición Química del Carbón antracita
2. Condiciones de operación de la caldera.
3. Datos nominales de Diseño de la caldera
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2.3.4 Marco Conceptual
1. PRINCIPALES PARAMETROS DE OPERACIÓN DE UNA CALDERA
1.1 PRESION NOMINAL Pn
Es la presión máxima de funcionamiento admisible del tambor (domo) de la
caldera, cuyos valores son estandarizados. Se mide en la parte superior del domo de
la caldera
1.2 PRESION DE REGIMEN, Pr
Es uno de los criterios de clasificación de la caldera, es menor que la presión
nominal en 5%, es la presión de la caldera durante su explotación, medida antes del
sobrecalentador de calor
1.3 PRESION DE UTILIZACION, Pu
Es la presión del vapor medida a la salida del sobrecalentador
1.4 TEMPERATURA NOMINAL, Tn
Es la temperatura del vapor sobrecalentado medida, a flujo nominal de la caldera,
después del regulador de temperatura o, a falta de este, a la salida del
sobrecalentador
1.5 TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTACION, Ta
Son valores estandarizados y establecido en función de la presión nominal, es la que
se mide a la entrada al economizador, o si falta este componente, a la entrada a la
caldera (vaporizador)
1.6 FLUJO NOMINAL, Dn
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Es el flujo máximo continuo de vapor que debe asegurar la caldera en
funcionamiento permanente, con rendimiento menor que el correspondiente al
flujo normal.
1.7 FLUJO NORMAL, D
Es el flujo de vapor correspondiente al funcionamiento de la caldera con
rendimiento óptimo, D = 0.8 * Dn
1.8 FLUJO PICO DE VAPOR, Dp
Es el flujo de vapor más elevado que puede producir la caldera en casos
excepcionales para un período de funcionamiento de máximo 30 minutos, es igual a
Dp = 1.10* Dn
2.CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LAS CALDERAS DE VAPOR
2.1 SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR, A (m2)
Es la superficie de la caldera bañada por una parte por los gases de combustión, y
por otra parte por el agua y el vapor, es medida por la parte de los gases de
combustión.
2.2 FLUJO ESPECIFICO DE VAPOR, ds
Representa el flujo de vapor producido por la superficie unitaria de calentamiento:
ds = D/A (kg vapor / (m2 * h)) tiene valores comprendidos enytre 14 y 80
kg/(m2h)
2.3 RENDIMIENTO TERMICO DE LA CALDERA
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Es el porcentaje de la energía contenida por el combustible introducido en el hogar,
que se reencuentra en el vapor producido por la caldera,
t = D*(hv – ha) / (mcble * PCI cble)
hv y ha: entalpías específicas del vapor producido por la caldera y del agua de
alimentación (kJ/kg)
mcble = consumo horario de combustible, kg/h
PCI cble = Poder Calorífico Inferior del combustible, kJ/kg
2.4 CIFRA DE VAPORIZACION BRUTA, Xb
Definida por el flujo de vapor que se obtiene al quemar un flujo unitario de
combustible
Xb = D / mcble (kg vapor /kg cble)
2.6 Diseño De Ejecución
2.6.1 Objeto o material de Estudio
-
Caldera pirotubular de generación de vapor empresa TRUPAL S.A.
Datos Técnicos
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Capacidad de generación de vapor
13
(Ton/hr)
Superficie de calefacción
445
(m2)
Presión de diseño
15
(Kg/cm2)
Presión de trabajo
14
(Kg/cm2)
Presión de prueba
22,5
(Kg/cm2)
Combustible
Diesel
Consumo de combustible
3.680 (gal/hr)
Eficiencia
65
%
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- Carbón antracita de la Región La Libertad
Datos Físico-Químicos
PCI
8.300 (Kcal/Kg)
Carbono
83
(%)
materias volátiles
3
(%)
Cenizas
10
(%)
Humedad
3
(%)
Fuente: Calderas de vapor, Marcelo Mesny, 2002
2.6.2 Metodología empleada en la selección de soluciones problema.
- Estudio de las propiedades físico-químicas del carbón antracita
- Estudio de los métodos de procesamiento de carbón
- Estudio de diseño de hogares para la combustión
- Estudio del procesote generación de vapor en calderas
- Análisis de costos de generación de vapor utilizando como combustible diesel vs
costos de generación de vapor utilizando como combustible carbón antracita
2.6.3 Diseño de la información.
- Población: Calderas de generación vapor
- Muestra: Caldera de generación de vapor de la empresa TRUPAL S.A.
- Tratamiento de Datos: Se aplicará un diseño de comparación simple de los
datos obtenidos utilizando como combustible carbón antracita con los datos
adquiridos utilizando como combustible diesel.
2.6.4 Diseño de contrastación o validación
- Debido al procesamiento de la información, es bibliográfica.
- Simulación
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