See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/260778248 Rendimiento térmico de calderas bagaceras modernas en Tucumán, R. Argentina Article · December 2011 CITATION READS 1 564 5 authors, including: Federico Franck Marcos Golato Estación Experimental Agroindustrial Obisp… Estación Experimental Agroindustrial Obis… 8 PUBLICATIONS 4 CITATIONS 15 PUBLICATIONS 15 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Walter D. Morales Dora Paz National Scientific and Technical Research … National Scientific and Technical Research … 6 PUBLICATIONS 3 CITATIONS 23 PUBLICATIONS 92 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Eficiencia térmica View project All content following this page was uploaded by Marcos Golato on 12 December 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. respectively.2% and 77.5%. Carolina Cruz* y Dora Paz* RESUMEN Se evaluaron tres calderas de vapor modernas instaladas en ingenios azucareros de Tucumán. 75. Como una ventaja adicional. Key words: measurements. biomasa.5%. energía. Morales*. y Agríc. * Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales.6% when modern boilerswere used. installed in sugar mills in Tucumán to attain acleaner production. FranckColombres*. Tomando como base la metodología de cálculo de la eficiencia térmica de generadores de vapor desarrollada en 2008 por la Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales de la Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres. 2011 Rendimiento térmico de calderas bagaceras modernas Federico J. de Tucumán Tomo 88 (2): xx-xx. y a partir de los datos recolectados por medio de mediciones y balances de materia y energía. energy. Golato*. ABSTRACT Thermal efficiency of modern bagasse boilers in Tucumán. A comparison with conventional steam boilers was drawn and it was found that bagasse savings amounted to about 27.org. EEAOC. equipos que se encuadran dentro de las tecnologías de producción más limpia. Walter D. Argentina Three modern steam boilers. vapor.3%. Energy efficiency values determined for each boiler were 73. |1 . el cual resultó de un 27. R. Argentina. Palabras clave: mediciones. Ind. were evaluated. The possibility of improving the thermal efficiency of the plant cycle by increasing boiler pressure is mentioned as an additional advantage.ar. ingenieria@eeaoc. Las eficiencias energéticas determinadas para cada una fueron del 73. and data obtained from measurements and material and energy balances.2% y 77. steam. Se realizó además una comparación con las calderas de vapor convencionales y se determinó el ahorro de bagazo que puede obtenerse con las calderas modernas. biomass. Marcos A. que viene acompañada con el aumento de la presión de trabajo de la caldera.ISSN 0370-5404 Rev.6%. Their major operating variables were determined using the methodology for calculating thermal efficiency of steam generators developed by Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales of Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres in 2008. se determinaron sus principales varia- bles características de operación.3%. 75. se hace mención a la posibilidad de mejora del rendimiento térmico del ciclo motriz de la planta. confiabilidad y precisión. destilación y oxida. poseen un equipo de recuperación de calor adi- cional (economizador). equipadas con equipos lavadores de gases (“scrubbers”) ta el aire de turbulencia (“over-fire”). año ciones y cáculos de balances de masa y energía. bustible y. bles pueden ser quemados aisladamente o en combina. con su grilla de tipo volcable (1). 2| . 2005). rondel tipo acuotubular. El objetivo del presente trabajo fue evaluar energé- ticamente tres calderas bagaceras modernas de ingenios Figura 1. proporcionando una buena a distintos niveles de elevación. y un ventilador de tiro necesidad de emplear combustibles adicionales. calderas modernas poseen un intercambiador de calor Las calderas modernas además se encontraban que. los generadores de vapor modernos. dada su relativamente elevada altura. garantizandouna buena circulación tales como bagazo de caña. hacen de las calderas modernas una importante tecnología de producción más limpia. lo que mejora el ren. de mantenimiento. además de precalentar el aire de combustión. y la alimentación neumáti. 2010). seccional (fuente: Catálogo HPB degeneradores de vapor. el aire paralimitar el uso de material refractario y eliminar fugas y caliente de turbulencia.ellos se encontraban La industria azucarera de Tucumán ha incorporado construidos con paredes de tubos de agua del tipo membra- calderas modernas que consumen bagazo como único na. tema de alimentación del combustible del tipo neumático (5). entre ellos. ahorrando recursos y minimizando la cantidad y toxicidad de todas las emisiones y desechos. Esto impli. (Figura 2).con bajos costos ca permiten que la biomasa se queme en suspensión cum. alcanzando valores cercanos al 85% cuando se quema solamente bagazo. chips de madera. Estos generadores operaban con tiro balanceado y ca un mejor aprovechamiento de este y la posibilidad de poseían un ventilador de tiro forzado (VTF). elsecado rápido del bagazo. Con respecto al hogar o cámara de combustión de ción con carbón. ra de este tipo. calien.que permiten una mayor producción de vapor y de energía eléctrica. lo cual posibilita la mejora del rendimiento térmico del ciclo de la planta (Subramanian and Awasthi. En la Figura 1 puede verse el esquema de una calde- gresiva: evaporación de la humedad. con un consecuentemente mayor tiempo de permanen. inducido (VTI). Esto tiene mucha importancia para la cogeneración de energía eléctrica y de vapor para calefacción. que sirve para elevar la temperatu- ra del agua que llega al domo y mejorar aún más su efi- ciencia. Revista Industrial y Agrícola de Tucumán (2011) Tomo 88 (2): xx-xx INTRODUCCIÓN MATERIALES Y MÉTODOS Las calderas modernas de la industria azucarera Características delos sistemas ensayados son unidades productoras de vapor que permiten la Las unidades que fueron objeto de este estudio fue- quema de una amplia gama de combustibles con caracte. 2006). Estos combusti. a partir de la misma cantidad de biomasa y sin el aporte de combustibles de origen fósil. diseñadas para la combustión de rísticas diferentes. mediante ensayos de medi. la incorporación de sistemas avanzados de control le atribuye seguridad. petróleo o gas natural. en el caso de cogeneración para venta a la red pública.que introducía quemar bagazo con relativamente alta humedad. los combustibles fibrosos bagazo en suspensión. por ende. que se ven reflejadas en sus índices de operación. que se distribuye estratégicamente depósitos de cenizas en el horno. Por otro lado.. ticulado por las chimeneas. un sobrecalentador de vapor (4) y el sis- fijo. soportadas desde el exterior por una estructura metálica. estanqueidad de la cámara de combustión. con el objeto de reducir la emisión de material par- dimiento térmico del sistema (Golato et al. los domos (2). las calderas moder- nas generalmente trabajan a mayor presión que las con- vencionales. las bustión y los conducía al ambiente a través de la chimenea. pliendo las etapas del proceso de combustión en forma pro. combustible. ción de los componentes volátiles y finalmente del carbono el haz convectivo (3).A su vez.que aspiraba los gases producto de la com- A diferencia de las calderas convencionales. Además. residuos de los gases calientes en la zona donde se introduce el com- forestales u otros derivados de biomasa. sin la airea través de un calentador (ICQ). Esquema de una caldera de vapor moderna en su corte de la provincia de Tucumán. Estas mejoras. entendiéndose como tal aquella tecnología que permite producir sin el uso de materias pri- mas tóxicas. cia del combustible y un factor de dilución bajo. con una operación. las respectivas variables medidas en fábrica y determi- ra poseía una grilla viajera y operaba con precalentador de nadas en laboratorio. resultando el CO2 obtenido por cálculo. un economizador Las variables de los puntos de medición se obtuvie- de 1005 m2 de superficie y un lavador de gases. un balances de masa y energía para una caldera bagacera sistema de inyección de aire secundario caliente para favo. recer la turbulencia en el interior del hogar. Estas mediciones se practicaron a la entrada del Ensayos en calderas de vapor modernas precalentador de aire. Para determinar la concentración porcentual de CO2. de 6552 m2 de superficie de transferencia de calor. Vista lateral de una caldera moderna en operación en un ingenio azucarero de Tucuman. Estas dos calderas seleccionadas eran similares: la mento. con rango rencia de calor. peratura de los gases. producción nominal de 120 t/h a una presión manométrica de En la Tabla 1 se detallan para cada punto de medi- 22 kg/cm2 y una temperatura de vapor de 350ºC. empleando instrumental portátil perteneciente al Laboratorio ían una superficie de calefacción de 2680 m2. modelo 454. moderna.Eficiencia de calderas bagaceras modernas Figura 2.1 %vol para el O2 y caliente para favorecer la turbulencia en el interior del hogar. además se determinó el factor de dilución (por cálcu- única diferencia es que una trabajaba a mediana presión (33 lo) en función del tipo de combustible seleccionado y la tem- bar) y la otra a alta presión (43 bar). Estas calde. rasposeían una grilla inclinada (“pin hold”) y operaban con O2 y CO en gases secos. ción.en el cualse indican los puntos de material particulado efluente por chimenea se efectuó con |3 . de gases de combustión marca Testo. necesarias para la resolución de los aire. con rango de -40ºC a 1200ºC (Golato et al. La primera unidad moderna ensayada (caldera Nº1) de medición y muestreo de las variables características de poseía una superficie de calefacción de 2680 m2. En la Figura 3 se observa un esquema básico de una La medición del flujo de gases secos y de la emisión caldera bagacera moderna. un sistema de inyección de aire secundario de 0 %vol a 25 %vol y resolución de 0. Con este instru- gases. kg/cm2 y una temperatura de vapor de 450ºC.. se utilizó un analizador electrónico precalentador de aire de 4167 m2 de superficie de transfe. 2008. ron de los instrumentos instalados en la planta de calderas y Las otras dos calderas modernas (Nº 2 y Nº 3) pose. rango de 0 ppm a 10000 ppm y resolución de 1 ppm para el un economizador de 1614 m2 de superficie y un lavador de CO. 2005).Esta calde. con una pro. de Mediciones Industriales de la Estación Experimental ducción nominal de 120 t/h a una presión manométrica de 42 AgroindustrialObispo Colombres (EEAOC). a su salida y en la chimenea. Variables de medición características de un generador de vapor. Revista Industrial y Agrícola de Tucumán (2011) Tomo 88 (2): xx-xx Figura 3. Esquema de un generador de vapor para bagazo del tipo acuotubularmoderno. Tabla 1. con la indicación de los puntos de medición. 4| . precalentador de aire (ICQ). mostrando los centros de balances: hogar. EEAOC. modelo C-5000. pudiéndose observar las corrientes tal múltiple de seis canales. Desv. (2008). VP: promedio de los valores medidos. La cantidad de material particulado se determinó por gravimetría con una balanza analítica marca Ohaus Explorer Pro. modelo EP214C. balance de energía en el Para el análisis estadístico de los registros experi.0001 g. energía en el economizador. de resolución de 1ºC que ingresan y egresan del generador. que toma como Los ensayos de medición se desarrollaron cuando los datos de partida las mediciones de las principales variables sistemas analizados se encontraban en condiciones esta. marca IEA. se empleó un termómetro digi. Diagrama de un generador de vapor con los datos de entrada necesarios. cuyo rango va de 0 ga 200 g y su apre- ciación es de 0. Donde: La temperatura del aire caliente a la salida del preca. (2008) explicitan las ecuaciones necesa- Se efectuaron seis lecturas de los parámetros eva. |5 .01 m/s a 25 m/s y con una resolución de conjunto de balances de masa y energía para la determina- 0. de la eficiencia térmica de generadores de vapor propuesta Para la medición delos flujos de agua. Figura 4. ra. en diagrama de bloques. se utilizó un porGolato et al. Se agre- mentales. 1970). Fundamentos del método de cálculo Los valores del contenido de cenizas se obtuvieron por inci. rias para los cálculos. operativas del mismo. ción de los flujos y eficiencias en el sistema. la entrada de aire infiltrado. oxígeno). Para los cálculos se utilizó la metodología de cálculo neración total en mufla computarizada a 550ºC. da de bagazo. que incluye treinta a cuarenta minutos cada uno. la entrada de agua y la corres- de la caldera y se procesaron en los laboratorios de la pondiente salida final del vapor. cable de exten- sión compensado y rango de trabajo de 0ºC a 400ºC. horno y balance de materia en el lavador de gases. La metodología citada consiste esencialmente en un des de flujos de 0. Golato et al. Como valor comparativo se ha utilizado el Enviromental Supply Co. completando un balances: tres balances de masa en el hogar (carbono. economizador (Eco). “scrubber” y caldera (enmarcada en líneas de trazo). con cabezal de conexión normalizado. lentador de aire se midió con una termoresistencia tipo Pt. con una duración de geno. 100. Se emplearon los mis. empleándose la hoja de cálcu. marca energía para determinar la eficiencia del economizador. para rangos de velocida.: desviación estándar de las mediciones. la ecuación del balance de de dispersión de los valores. en el caso de este trabajo. se tomaron muestras de las bocas de alimentación alimentadores neumáticos. definido como la desviación muestreo de partículas se realizó según el método Nº 5 de la estándar porcentual relativa al valor promedio: United States Environmental Protection Agency (USEPA. balance de energía en la calde- mos equipos consignados en Golato et al. Flexim. La humedad del bagazo se determinó por deseca- ción en estufa a 105ºC. quese obtienen de los siguientes luados durante las mediciones por ensayo. modelo FluxusADM 6725.Eficiencia de calderas bagaceras modernas un equipo de muestreo de partículas isocinético. hidró- total de cinco ensayos en cada caldera. est.. El mencionado coeficiente de variabilidad. balance de energía en el ICQ. se utilizó la desviación estándar como parámetro gó.025 cm y exactitud de ± 1%. Para En la Figura 4 se representa el generador de vapor la lectura de la temperatura. Se muestra la entra- y escala de 50ºC a 500ºC. marca lo Excel 2000. hasta obtener un peso constante. (2008). la entrada de aire caliente de combustión pro- Para la determinación de humedad y cenizas del veniente del precalentador de aire y el aire adicional de los bagazo. un balance de masa en el ICQ. bles de operación.con el agregado de un balance de caudalímetro ultrasónico portátil de tiempo de tránsito. Caudal de bagazo que ingresa al hogar (B). menores a las nominales. se decidió utilizar Se observa que la eficiencia energética aumentó de la caldera Nº1. se consideró que se contaba con dos calde. Rendimiento energético del horno o eficiencia de la resultados de los balances para la caldera Nº3.6% del ras convencionales. A modo ilustrativo. cional yla caldera moderna. Para ello se utilizaron los resultados obtenidos En todos los casos se observa una buena corres- por Golato et al. 5. 6. dos calderas. convencionales.en la Figura 5 se muestran los 7. precalentador como del economizador. zo esperado por cambio de tecnología fue de 27.5%. estaba completamente especificado. para las tres calderas. En base a la composición de los gases. específicas constantes. En función del índice V: caudal de agua de alimentación (kg/h). Caudal de aire total (aire): aire 1º + aire 2º to del calor a través de las superficies de transferencia 4. en comparación con el de las calderas vapor de 330ºC. A pesar de ello. Caudal de agua en los gases (aguagases). combustión (ηhorno). tanto del “scrubber” (PT). presión y temperatura fueron muy diferentes a las de Las incógnitas del sistema fueron: diseño. un lavador de gases y carecía principales parámetros operativos. las variables medidas en los ensayos realizados en las cal- tSICQ: temperatura de los gases a la salida del ICQ (ºC). do de humedad y cenizas. a la salida del hogar (tG) más elevada que en las otras 2. una producción nominal de 80 t/h a El rendimiento del sistema (ηcaldera) es elevado en una presión manométrica de 18 kg/cm2 y una temperatura de todos los casos. El ahorro de baga- dera moderna.3% de aumento). (2008) para una caldera convencional del pondencia entre el valor medido y el valor calculado para tipo acuotubular con grilla volcable. derasmodernas. un sistema de inyec.2% a 73. Se llegó así a un total de nueve ecuaciones de En el caso de la caldera Nº2. Para la mencionada comparación. de 2571 m2 de superficie. por lo tanto en el hogar. es decir un 38% respecto de la caldera misma presión que la caldera convencional en cuestión.la 9. debido a una correcta combustión y a un buen aprovechamiento de calor El grado de libertad del sistema era nulo. Como variable de validación se tabula el factor de dilución Se realizó también una comparación con una caldera (1 + exceso de aire). Rendimiento energético del calentador de aire (ηICQ). : gases a la salida del ICQ (kg/h). que producían entre ambasla misma bagazo consumido por la caldera convencional. calefacción de 2660 m2. dor de aire. vapor/kg bagazo (33. lo cual indicaba un menor aprovechamien- 3. 6| . convencional. Caudal de aire infiltrado (Ainf). pudiéndose distinguir una temperatura de gases 1. las condiciones de balance. con los ción de aire secundario frío. se determinó la cantidad de bagazo que Cpagua: calor específico a presión constante del agua estas dos calderas consumirían. Rendimiento energético del economizador (ηeco). Carbono que acompaña a los gases antes del aire en el precalentador y bajos rendimientos. En la Tabla 4 se presenta una comparación. Revista Industrial y Agrícola de Tucumán (2011) Tomo 88 (2): xx-xx Balance de energía en el economizador: Donde: cantidad de vapor que la caldera Nº1. el índice de generación pasó de 1. tAS: temperatura del agua a la salida del economiza- dor (ºC). Rendimiento energético del sistema de generación En todos los casos. del hogar. tS Eco: temperatura de los gases a la salida del econo. manteniendo las variables (kJ/kgºC).4 a1. ηEco: rendimiento energético del economizador. en todos los casos. entrelacaldera conven- de economizador. el bagazo tuvo un alto conteni- de vapor (ηcaldera). En la Tabla 3 se presentan los valores calculados Para la resolución del sistema se empleó la hoja de para las incógnitasdel sistema. Dicha caldera operaba con un precalenta. ya que trabajabaaproximadamente a la 53. Puede observarse que las producciones de vapor mizador (ºC). Pueden observarse una importante infiltración de 8. eficiencia del sistema fue relativamente alta.pudo apre- ciarse una combustión eficiente. En la Tabla 2 se muestran los valores promediode Cpgases: calor específico medio de los gases (kJ/kgºC). son. cálculo Excel 2000. RESULTADOS Y DISCUSIÓN tAE: temperatura del agua de alimentación (ºC). con una superficie de el factor de dilución.9 kg Debido a que esta última producía menos vapor que la cal. convencional. de generación. Valores promedio de las variables medidas en las calderas modernas. |7 .Eficiencia de calderas bagaceras modernas Tabla 2. Figura 5. Resultado de los balances para la caldera Nº 3. calor fueron buenas.5%. Revista Industrial y Agrícola de Tucumán (2011) Tomo 88 (2): xx-xx Tabla 3. y al aprovechamiento del calor de 75. la eficien- da en los balances de materia y energía. una baja presión yalcanzó un rendimiento del 73. fue adecuada cia energética del sistema fue 77. el lentamiento. Lo mismo sucedió en la caldera Nº1. calor en las zonas de calentamiento. Tabla 4. Sin embargo. si bien no llegó a producir la cantidad de vapor nominal. que se ve reflejada en de la transferencia de calor entre los gases y el vapor en la composición de los gases. gases). Comparación entre caldera convencional y caldera moderna. Esta puede atribuirse principalmente a menor a la nominal. CONCLUSIONES En el caso de la caldera Nº3.pudo observarse que a pesar de tener una gran infiltración de aire en el preca- La metodología de cálculo que aplica la Sección lentador. 2007).a una buena transferencia de generación (Marín Hernández et al. basa. que trabajó a los gases en los equipos de recuperación de calor. trabajando a esta baja presión. no se adviertieron infil- Pudo observarse una relativamente elevada eficiencia traciones de aire y las eficiencias de los recuperadores de energética de los generadores modernos respecto a la de cal. queafectó tanto a este como al economizador Ingeniería y Proyectos Agroindustriales de la Estación (por encontrarse este último aguas abajo en la corriente de Experimental Agroindustrial Obispo Colombres para deter. evaporación y sobreca. y de funcionar con un bagazo de contenido de minar la eficiencia térmica de un generador de vapor. 8| .. Resultados de cálculo de las variables principales y secundarias. humedad y cenizas mayores que los del diseño.2%. En la caldera moderna Nº2.3%.fue de un gases a la salida del horno. para evaluar los modernos generadores de vapor. lo que aumentó las irreversibilidades una buena eficiencia de la combustión. La caldera funcionó a una presión deras convencionales. caracterizada por una menor temperatura de los rendimiento. 1970. Eficiencia de calderas bagaceras modernas Empleando la caldera moderna Nº1 para producir BIBLIOGRAFÍA CITADA vapor en cantidades y condiciones similares a las de las calderas convencionales. Determination of particulate matter Los autores agradecen ala Agencia de Cooperación emissions from stationary sources. J. vapor bagaceras y su influencia en el rendimiento tér- A mayor presión de trabajo de las calderas. por la capacitación brinda.Disponible en www.K. la posibilidad de mejorar el rendimiento térmico del ciclo y Golato. lo cual. González Petit-Jean y J. existe mico. 442.. Paz y G. pp. AGRADECIMIENTOS United States Environmental Protection Agency (USEPA). F. de Tucumán 82 (1-2): 17-25. de Tucumán 85 (2): 17-31. A. mente un 27. D.pdf (consultado 8 julio 2011). M. A. J. multi fuel fired boilers for co-generation. 8. Cárdenas.edu. Awasthi.pdf. C. estas calde. México. J. además de permitir realizar R. 05. ble utilizar calderas modernas de alta presión trabajando a Marín Hernández. M. A. and S. con lo Correa y D. con la ventaja de no requerir el aporte de combustibles de (consultado 8 julio 2011).pe/cibim8/pdf/29/29-13. la capacidad de producción eléctrica de la planta.En: Proc. |9 View publication stats . Aso.1-9. Congreso Para una misma cantidad de biomasa. venta de energía a la red. se pudo ahorrar aproximada. G. eficiencia térmica de generadores de vapor. 2010. Aso. 2005. High pressure de producción más limpia. L. 27. www. M. 2010. 2008. Agríc. Rev. En una primera etapa.pucp. en comparación con la caldera convencional. Paz. ras modernas posibilitarían una mayor producción de Perú. Metodología de cálculo de la cual aumentarían las posibilidades de cogeneración para. 2007.epa. G. Agríc. Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. Franck Colombres. Cuzco. [En línea].gov/ttn/emc/promgate/m- da en temas concernientes a producción más limpia. Ind.. [En línea] 1: 371- Internacional de Japón (JICA). Mestizo Cerón. A. Disponible en vapor y de energía eléctrica para venta a la red pública. Veracruz. una presión más baja. Ind.congreso. J. Golato.. origen fósil. permitiría un importante ahorro de gético para determinar pérdidas separadas e irrever- bagazo o de combustible adicional equivalente. Rev. sibilidades en calderas bagaceras.6% de bagazo o de combustible adicional Inyección de aire secundario caliente en calderas de equivalente. Aplicación del método exer- la inversión por etapas.sería posi. lo que las encuadra dentro de las tecnologías Subramanian. ISSCT Congress.
Report "Rendimiento Térmico de Calderas Bagaceras Modernas_RIAT v88n2"