Calderas Recuperadoras Modernas

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ATCP Chile 2005
Calderas Recuperadoras Modernas
Liisa Simonen, Kari Saviharju, ANDRITZ
Tammasaarenkatu 1, 00180 Helsinki, Finlandia
Existe una fuerte tendencia a la inversión que está ocurriendo en
la industria de la celulosa en el Hemisferio Sur, especialmente en
Sudamérica. Esta tendencia en la inversión tendiente a aumentos
sostenidos de capacidad ha resultado en un incremento en el mercado de la pulpa de Eucaliptus de alta calidad.
Las tendencias generales en la industria de la celulosa están relacionadas con los siguientes factores:
-
Este cambio estructural global,
Productos mejor dirigidos (o enfocados),
Unidades más grandes para lograr una reducción de costos, lo que requiere de un muy alto grado de disponibilidad,
Seguridad,
Temas ambientales.
Los temas ambientales incluyen el “poder verde” para evitar la producción de gases tipo efecto invernadero a partir de combustibles
fósiles.
La caldera recuperadora es una parte importante del sistema de
la planta de celulosa, donde el uso de las necesidades de capital
necesita ser optimizado. Se debe cumplir con los siguientes requerimientos básicos en todas las posibles opciones de inversión:
-
recuperación de químicos con buena reducción
combustión y recuperación de calor eficientes
necesidad de disponibilidad para una parada programada
por año, en el futuro una cada 1 ½ año a 2 años
operación segura
bajas emisiones
Hoy día el riesgo de explosiones debido a problemas de fusión en
el agua se ha reducido en forma sustancial en las nuevas calderas,
aunque pueden presentarse nuevos riesgos en sistemas de gases
aromáticos, etc. El nivel de seguridad ha mejorado y continuará en
ascenso mediante una mejor comprensión de los temas críticos. La
cooperación entre empresas y el intercambio de experiencias constituyen importantes herramientas para este desarrollo. En la práctica,
las mejoras se han logrado mediante el diseño, mejores materiales e
instrumentación y capacitación perfeccionadas.
El tamaño de la línea de recuperación o línea de pulpa individual ha
aumentado en forma considerable en los últimos años. La carga de
MCR- de la mayor caldera recuperadora en operación suministrada
por Andritz a Wisaforest (figura 1) es de 4450 tds (licor virgen)/ día.
Esta caldera ha operado con más de 5000 tds/d de carga.
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Figura1. Caldera Recuperadora de Wisaforest, que partió
en Mayo de 2004.
Típicamente, las calderas recuperadoras tienen un margen considerable
en los sistemas críticos para futuros aumentos de capacidad. Una caldera
recuperadora moderna típica puede atender de 1 a 1.2 millones ADt/ en
una línea de fibra, dependiendo de la madera; y no existe ningún factor
limitante como para aumentar esta capacidad.
La eficiencia reductora depende del licor y del modo de combustión; depende, además, de la carga de la caldera, de la variación en la calidad del licor,
de los sólidos secos y de una serie de otros factores de la combustión.
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La Figura 2 muestra los balances básicos de calor en función de los sólidos secos del licor. Las áreas en que se puede mejorar el grado de eficiencia
de la caldera recuperadora son las siguientes:
-
temperatura de los gases de combustión
Factor de aire en exceso requerido
Uso de sistema de soplado de cenizas
Uso de calor a partir de la fusión en el estanque
de disolución
Sólidos secos del licor
Figura 2 Balances de calor para calderas recuperadoras
en base a HHV. Si la referencia es el grado de valor más
bajo, se debe eliminar de las barras el grado de calor para
la evaporación del agua.
La eficiencia en la generación de energía es un factor
importante en la reducción de emisiones. Los sistemas
combinados de calor y energía (CHP) son más eficientes
que los sistemas separados. El CHP puede describirse
en varias formas; tradicionalmente se describe como
“eficiencia de generación de energía” o como “razón
energía/calor”.
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La fig 3 muestra la capacidad de generación de energía de las calderas “tradicionales” con diferentes parámetros de vapor y sólidos secos en el licor
versus calderas recuperadoras con los mismos parámetros que incluyen sistemas de pre-calentamiento efectivos.
Figura3.
Eficiencia de generación bruta de energía
para diferentes calderas recuperadoras y sistemas de turbina a vapor.
Además, la figura muestra la capacidad de generación de energía con el sistema en que el supercalentamiento final no
ocurre con los gases combustibles provenientes de la combustión de licor negro, sino que ocurre con gas natural, o el
combustible equivalente, que permite que se produzca un
alto nivel de temperatura en el vapor. Esta posibilidad incluye
gasificación de biomasa y una limpieza especial del gas del
producto antes de la utilización. En plantas modernas nointegradas existe un superávit de calor; la condensación final
es la solución estándar para utilizar este exceso de energía
calorífica.
Con este arreglo, la eficiencia en la generación de energía, en
buenas condiciones de trabajo, es de 15-17 %. Si se emplea
esta opción, se tiene, además, un resultado óptimo en los
sistemas de pre-calentamiento. La temperatura máxima de
vapor está limitada principalmente por el riesgo de corrosión.
El riesgo de corrosión en supercalentadores se relaciona principalmente con el Cl y el K, los cuales pueden ser reducidos
mediante sistemas de remoción.
Los tiempos prolongados de retención de los gases combustibles y los sistemas de aire modernos en las grandes calderas
cambian el comportamiento crítico de fusión del arrastre y las
cenizas volátiles y de este modo reducen el grado de corrosión del supercalentador. Las nuevas características en el
ciclo de vapor que afectan la eficiencia de la caldera son el
precalentamiento del agua de alimentación y la temperatura
del aire para alto nivel de combustión.
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Figura 4. Precalentamiento con agua de alimentación en la Caldera Wisaforest
de 4450 tds/diarias. El aire de combustión puede ser precalentado en la caldera
a 190 oC.
El licor puede evaporarse en un alto contenido de sólidos secos y quemarse con
un buen comportamiento operacional cuando se emplea un tratamiento de calor
al licor para disminuir la viscosidad. El quemado máximo de sólidos secos con la
Caldera Wisaforest ha sido de 88 % y el valor de diseño típico en Finlandia hoy en
día es de 80 – 85 % .
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El calor sensible proveniente de los gases combustibles puede recuperarse en forma de vapor
de baja presión y transformarse en agua caliente, o emplearse como precalentamiento por aire
de combustión. En la Caldera SCA de Östrand (Suecia) que está actualmente en construcción,
la temperatura de los gases de combustión será de 110 OC. En este caso, la temperatura del
vapor es de 515o C y la caldera está equipada con efectivos sistemas de precalentamiento tanto
para el aire de combustión como para el agua de alimentación para maximizar la producción de
energía, como se muestra en la figura 4 en la Caldera de Wisaforest. El agua de alimentación
es precalentada en el estanque de agua de alimentación antes de los economizadores y entre
ellos.
Un precalentamiento de agua de alimentación efectivo requiere un alto grado de combustión
de sólidos secos con un bajo nivel de oxígeno adicional y una alta presión de vapor. El aire de
combustión, incluyendo los gases aromáticos diluidos son precalentados tanto en Wisaforest
como en Östrand a 190 oC. Este concepto se llama HERB (High Efficiency Recovery Boiler
- Caldera Recuperadora de Alta Eficiencia). En el futuro habrá sistemas más avanzados disponibles, pero su factibilidad dependerá del factor económico.
La combustión de un alto contenido de sólidos y modernos sistemas de combustión han resultado en emisiones de SO2 cercanas a cero en pulpaje kraft, incluso en los casos en que el nivel
de sulfuro es alto (salvo en los casos en que las cargas son bajas o se quema una gran cantidad de gases aromáticos fuertes o petróleo residual en quemadores de carga con un alto nivel
de S). Los sistemas de aire modernos, que disminuyen el levantamiento de pequeñas gotas al
centro del horno, han reducido las emisiones de TRS y de TOC hasta llega a cifras muy bajas.
La emisión de CO también es baja, por ejemplo de 10 ppm, salvo si se necesita un bajo nivel de
combustión de NOx.. Un bajo requerimiento de NOx puede influir tremendamente en el diseño y
operación del horno, y aumentar considerablemente el costo de inversión. Cuando típicamente
el 25 - 35 % del nitrógeno presente en el licor negro se transforma en NOx, esta cifra puede
llegar a un 15 % en el caso de las soluciones bajas en NOx, que Andritz ha proporcionado. En
la actualidad se recogen tanto gases aromáticos débiles como fuertes en todas las áreas de la
planta. En muchos casos, estos se queman en la caldera recuperadora; los gases débiles son
una parte del aire de combustión y los gases fuertes van al horno inferior con un quemador especial. Cuando esto se hace correctamente, no hay influencia significativa en las emisiones.
¿Cuál es la potencia, grado de calor y
costo de combustible y el costo de las
emisiones?
¿Cuál es el costo de inversión según
las diferentes opciones, incluyendo los
costos de parada?
¿Cuáles son las capacidades de
generación y eficiencias respectivas?
esto dependerá de la configuración de la
planta.
¿Cuál será el período de retorno de la
inversión requerido?
¿Qué ofrece el Mercado a futuro? –
futuras mejoras o modificaciones.
El cierre de los sistemas, que incluyen cero emisiones de SO2 han llevado a la necesidad de
eliminar el Cl y el K del ciclo de recuperación. También el balance de S-en plantas que emplean
maderas blandas es un tema importante. Andritz ha utilizado calor proveniente del estanque de
disolución en el sistema de remoción de ACR Cl- y K- para generar el vapor de baja presión
necesario para la cristalización. (Soporcel, Portugal).
La reducción del nivel de gases de invernadero es un tema importante en Europa hoy en día. El
comercio de emisiones, como mecanismo de mercado para reducir emisiones, parte en 2005.
Por lo tanto, la generación de energía a partir de la biomasa como licor negro tiene un rol que
va en aumento en las nuevas inversiones. Aunque el comercio de CO2 empezó cuando entró en
vigor el Protocolo de Kyoto el 16 de Febrero de 2005, su efecto final sobre el negocio global es
aún difícil de calcular. El precio de una tonelada de CO2 es de 20-30 euros/t hoy en día.
La industria de la celulosa y el papel ha sido pionera en la utilización de biomasa como fuente
de energía. Además, las plantas de celulosa modernas con sistema Kraft de producción son
auto-suficientes en cuanto a energía y de hecho solo necesitan una parte de la energía producida – por lo que los procesos tiene un claro potencial de ahorro que puede emplearse como
producción de energía adicional.
El Japón ha sido el líder en el uso de calderas recuperadoras para altas temperaturas de vapor
en el mercado. Allí, la fuerza impulsora la constituye el precio de la energía.
En resumen, al considerar inversiones importantes, el punto a considerar es el concerniente a
optimización:
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