EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS Y HORNOS

AGENDA

Contenido

1. Contexto Área Metropolitana del Valle de Aburrá

2. Tipos de calderas

3. Seguridad y control de combustión

4. Eficiencia en calderas y hornos

PLAN DE GESTIÓN 2016-2019 TERRITORIOS INTEGRADOSLíneas y programas

CONTEXTO

ÁREA METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRÁ

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.

Existen 432 empresasemisoras decontaminantesatmosféricos, lascuales cuentan con

1448 fuentes fijas.

En Medellín e Itagüíse encuentran el 72%de las empresas y el60% de las fuentesfijas respectivamente.

Empresas y fuentes de emisión fijas por municipio, año 2015

http://www.metropol.gov.co/CalidadAire/isdocConvenio243/Informe_Inventario_emisiones_2015.pdf

Comportamiento por municipio

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.Comportamiento por actividad económica

Empresas y fuentes de emisión fijas por actividad productiva, año 2015

Sectores Textil,Metalmecánico, Bebidas,alimentos y tabaco y el sectorQuímico son las actividadesproductivas que agrupan a lamayoría de empresas yfuentes fijas de emisión.Estos sectores cuentanrespectivamente con el 22%,22%, 16% y 12% de lasempresas y con el 17%, 21%,14% y 15% de las fuentesfijas.

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.Combustibles

Poderes caloríficos de los combustibles usados por fuentes fijas en el Valle de Aburrá

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.Comportamiento por actividad productiva

Distribución de emisiones de contaminantes criterio de acuerdo a la actividad productiva, año 2015

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.Comportamiento por municipio

Distribución de emisiones de contaminantes criterio por municipio, año 2015

MUNICIPIO CO NOx SOx VOC PM PM10 PM2.5

Barbosa 130,2 119,2 141,6 6,8 149,7 112,8 71,9

Bello 65 510,7 755,4 6,5 44,2 17 7,5

Caldas 17,9 20,8 5,6 1,1 23,2 4,8 2,3

Copacabana 414,9 57,4 111,3 240,9 73,7 79,2 16,8

Envigado 309,9 662,4 127,1 17,1 61,6 47,2 33,7

Girardota 852,7 373,1 625,5 23,6 1064,5 551,8 102,8

Itagüi 360,1 655,2 1010,8 360,6 397,4 130,1 45,8

La Estrella 90,5 119,1 62,3 5,3 71,9 24,7 10,4

Medellín 898,5 312,9 172,2 903,5 333,9 144,9 30,3

Sabaneta 93,3 161,6 77,9 202,9 133,3 26,6 12,6

Total 3233 2992,4 3089,7 1768,2 2353,3 1139,1 334,1

FUENTES FIJAS EN EL VALLE DE ABURRÁ.Comportamiento por actividad productiva

Distribución de emisiones de gases de efecto invernadero de acuerdo a la actividad productiva, año 2015

TIPOS DE CALDERAS

CALDERAS Y SUS PRINCIPALES CARACTERISTICAS.

Caldera Pirotubular

Es un cilindro lleno de agua contubos a través de la misma, en elque se quema combustible en unode sus extremos y el calor estransferido al agua que circula porlos tubos convirtiéndose en vapor

Pirotubulares verticales de unpaso para combustibles líquidos ogaseosos.

Pirotubulares horizontales de 2, 3y 4 pasos, líquidos, gaseosos y bajodiseño especial se puede utilizarcualquier tipo de combustible

Calderas

CALDERA PIROTUBULAR

1. Cuerpo de la caldera2. Tubo hogar3. Haz tubular 2° paso4. Haz tubular 3° paso5. Cámara trasera 6. Caja delantera7. Caja trasera8. Bancada9. Aislamiento10. Equipo de combustión11. Válvula salida de vapor12. Válvula de seguridad13. Boca inspección lateral14. Válvula vaciado

CALDERAS Y SUS PRINCIPALES CARACTERISTICAS.

Calderas Acuotubulares

Son aquellas calderas enlas que el fluido detrabajo se desplaza portubos durante sucalentamiento. Son lasmás utilizadas en lascentralestermoeléctricas, ya quepermiten altas presionesa su salida y tienen grancapacidad degeneración.

Calderas

SEGURIDAD Y CONTROL DE COMBUSTIÓN

SEGURIDAD Y CONTROL DE COMBUSTIÓN.

Reducir emisiones contaminantes a la

atmosfera

Disminuir costos de combustibles y

energía eléctrica

Seguridad

¿Qué buscamos?

Fallas en el arranque

• El quemador y el ventilador no arrancan.

Fallas en el encendido

1. Ventilador y quemador arrancan pero no hay llama principal

• No hay ignición• No hay llama piloto, pero si principal• Hay llama de bajo fuego, pero no de alto• Falla la llama principal durante el arranque• Falla la llama durante la operación

Fallas en los materiales

Por corrosión

Por sobrecalentado

Soldadura y construcción

Implosión y explosión

Fallas en calderas

Funciones de un sistema de seguridad

• Proveer seguridad tanto en el arranque como en la parada del quemador

• Arrancar el quemador en una apropiada secuencia y supervisar la llama en todo momentos

• Resguardar el sistema de condiciones de presiones y temperaturas excesivas

Controles electrónicos para calderas

Usado para operar una bomba y mantener el nivel del agua en la caldera

Secundario LWCOReset Manual

Control BombaPrimario LWCO

Reset Automático

Niveles de Operación

Bomba encendida y quemador encendido

Bomba apagada y quemador encendido

Bomba encendida y quemador apagado

Bomba apagada y quemador encendido

De acuerdo al nivel de agua

1. Válvula de corte del equipo

2. Manómetro para media presión

3. Regulador de presión

4. Brida A 150 o universal en acero al carbono

5. Manómetro para baja presión

6. Interruptor de presión

7. Primera válvula de seguridad

8. Segunda válvula de seguridad

10. Válvula de corte a baja presión

11. Válvula modulante

13. Válvula de corte para el piloto de encendido

14. Regulador de presión del piloto

15. Universal en acero al carbono

16. Válvula de seguridad del piloto

1. Válvula de corte del equipo

2. Manómetro para media presión

3. Filtro

4. Regulador de presión de segunda etapa

6. Manómetro para baja presión

8. Primera válvula de seguridad

9. Válvula tipo solenoide para el venteo

10. Segunda válvula de seguridad motorizada

12. Válvula de corte a baja presión

13. Válvula modulante tipo mariposa

15. Válvula de corte para el piloto de encendido

16. Regulador de presión del piloto

17. Universal en acero al carbono

18. Válvula de seguridad del piloto

19. Válvula de seguridad para el venteo

20. Válvula de seguridad del piloto, solenoide

Tren de gas

5. SEGURIDAD Y CONTROL DE COMBUSTIÓN.

Tren de gas

EFICIENCIA EN CALDERAS Y HORNOS

EFICIENCIA POR TIPOS DE CALDERAS…..

EFICIENCIA

70 -90

60 - 75

2 pasos 60 -70

3 pasos 70 - 85

4 pasos > 85

2. Horizontal

Acuotubular

Pirotubular

1. Vertical

TIPO DE CALDERA A VAPOR

Los valores de eficiencia citados en la tabla son de referencia y dependenadicionalmente del estado de la tubería de lado fuego y agua de la caldera.

NOTA: Para el caso de las calderas modificadas no se aplica el cuadro anterior.

COSTOS EN LOS SISTEMAS DE GENERACION DE CALOR….

1. ¿Conoce el consumo de agua de su caldera?

2. ¿Conoce el consumo y el costo de combustible de su caldera?

3. ¿Conoce el costo del tratamiento de agua de su caldera?

4. ¿Conoce el costo de la energía eléctrica en su empresa?

RECUERDE…. LO QUE NO SE MIDE….

NO SE PUEDE CONTROLAR!!!

En caso de tener TODAS las respuestas positivas podemos hablar de alternativas de ahorro en el sistema de generación de vapor….

Combustible

Químicos

Energía

Mantenimientos

COSTOS EN LOS SISTEMAS DE GENERACION DE CALOR….

COMBUSTIBLE COSTO UNIDAD CONSUMO DE COMBUSTIBLE COSTO DE OPERACIÓN

CARBÓN (9500 BTU/Lb) 180 $/Kg 640 Kg/h 115.200 $/h

GAS NATURAL 1.100 $/m3 338 m3/h 371.800 $/h

ACPM 8.500 $/gl 90,6 gal/h 770.100 $/h

Ejemplo: Caldera de 300 BHP - Caldera pirotubular - Hornos de 13 MBTU/hora

COMBUSTIBLE FE FECOC EMISIONES

CARBÓN (9500 BTU/Lb) 2,44 Kg CO2/Kg 1562 KgCO2/h

GAS NATURAL 1,9 Kg CO2/m3 642 KgCO2/h

ACPM 10,14 Kg CO2/gal 919 KgCO2/h

ENERGIA ELECTRICA COSTO MTTO($/h)

COSTO OPERACIÓN

COSTO DISPOSICION

FINAL($/Kg)COMBUSTIBLE KW (350 $/kWh)

CARBÓN (9500 BTU/Lb) 31 10.850 3.000 5.264 20

GAS NATURAL 13,08 4.578 500 526 0ACPM 15,69 5.492 2.000 1.579 0

COMBUSTIBLECOSTOS

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

$/Lb vapor

CARBÓN (9500 BTU/Lb) 134.334 $/h 12,98

GAS NATURAL 377.404 $/h 36,46

ACPM 779.171 $/h 75,28

IMPORTANCIA DE EFICIENCIA EN CALDERAS Y HORNOS.Calderas

Alternativas de eficiencia energética en calderas

1. Control de carga basado en oxigeno

2. Control de combustión básico

3. Turbuladores

4. Economizadores

5. Recuperación de condensados

6. Aislamientos térmicos

7. Rediseño de redes de vapor

8. Sustitución de quemadores

ALGUNAS ALTERNATIVAS DE EFICIENCIA ENERGETICAS EN CALDERAS Y HORNOS

ALTERNATIVAS CALDERA HORNO% AHORRO ESTIMADO

COMBUSTIBLES

Instalación de sistemas de alimentación automática X X 10_40 % Carbón

Control de carga basado en oxigeno X X 9_50 % Todos

Control de combustión básico X X 6_10 % GN y ACPM

Turbuladores X 3% GN y ACPM

Economizadores X X 10% Todos

Recuperación de condensados X Hasta 30% Todos

Aislamientos térmicos X X Hasta 50% Todos

Rediseño de la red de vapor X X Hasta 50% Todos

Sustitución de quemadores X X 20_40 % Todos

RESULTADOS DE PROYECTOS REALIZADOS POR USAID - CNPMLTA

EQUIPO LOCALIZACIÓN COMBUSTIBLEREDUCCION EMISIONES

TONELADAS DE CARBÓN

EQUIVALENTES (TON CARBÓN/AÑO)

MUNICIPIO DEPARTAMENTO (Ton CO2/AÑO).

Caldera Medellín Antioquia Gas natural 72 30

Caldera La estrella Antioquia Carbón 1949 799

Horno Barranquilla Atlántico Gas natural 885 363

Caldera Medellín Antioquia Carbón 565 232

Caldera Medellín Antioquia Carbón 473 194

Caldera Copacabana Antioquia Carbón 1425 584

Caldera Itagüi Antioquia Carbón 13555 5.555

Horno ladrillero y secado

Medellín Antioquia Carbón 7457,4 3.056

Horno ladrillero Medellín Antioquia Carbón 3058,8 1.254

Horno ladrillero Medellín Antioquia Carbón 3716 1.523

Caldera Caldas Antioquia Carbón 2135 875

Caldera Itagüi Antioquia Carbón 207 85

TOTALES 35.498 14.548

Control De Carga Basado En Oxigeno

Su objetivo principal es garantizar la combustión completa del carbón, controlando lapresión, el vapor y el oxigeno que sale por la chimenea, el sistema es adaptable acualquier tipo de caldera (vapor o aceite térmico) y cualquier tipo de combustible.

Control De Carga Basado En Oxigeno

Las ventajas de su implementación:

• Flujo de vapor, esta variable ordenaaumentar o disminuir el consumo decombustible.

• Presión de vapor, mantener constante yminimizar el tiempo de respuesta antelos cambios.

• Consumo de energía 50 %

• Inquemados 30%• Información en tiempo real

Control de combustión básico (Control Link)

Es un sistema que acciona elventilador y la válvula de entradade combustible con el fin de seguiruna curva optima de combustión.Esta curva se elabora en elmomento de arranque del equipo yes calibrada mediante unanalizador de gases que se instalaen la chimenea.Se asegura que la reducción delconsumo de combustible es

mínimo del 4%.

IMPORTANCIA DE EFICIENCIA EN CALDERAS Y HORNOS.

Control de combustión básico (Control Link)

Las ventajas del sistema:• Ignición, permite calibrar en la

mínima llama posible optimizandocombustible.

• Fuego Bajo, mantener latemperatura del hogar alta, en casoque la caldera requiera aumentar elflujo de vapor por aumentos de lademanda, su presión no caiga.

• Fuego alto, “grabar” un punto en elque las condiciones máximas deoperación siempre garanticen que lacombustión sea la mejor posible.

Calderas

Turbuladores

Son elementos que se instalan en el tercer paso de gases, con el fin de incrementar la turbulencia.

Estos elementos se instalan principalmente en calderas que operan con gas y se

estima que el ahorro de combustible obtenido es del 3%.

TurbuladoresLas ventajas son:

• Bajo costo de adquisición

• Bajo costo de instalación, máximo 24 horas de trabajos desde la parada inicial, pues solo basta con destapar el acceso a la entrada del tercer paso de tubos, realizar una limpieza a la tubería e instalar los turbuladores.

Economizadores

Este aprovechamiento de calor conlleva a una disminución directa del consumo de combustible al requerir menor calor para la evaporación.

Economizador

260°C

176°C

130°C

Recuperación de condensados

El ahorro estimado por esta buena práctica se estima alrededor de un 3 % del costo de generación de vapor.

Aislamientos térmicos

El transporte de vapor puede generar grandes pérdidas, alcanzando valores del 90% por pérdidas del aislamiento o deterioro del mismo. Los ahorros estimados por la mejora en el aislamiento térmico pueden llegar a representar valores de

30% al 40% de los costos de generación de vapor.

TUBERIA

CALOR DISIPADO COSTOS EQUIVALENCIAS

DESNUDO AISLADO PERDIDA AHORRO CARBON

BTU / (h*ft) BTU / (h*ft) $/año $/año Ton/añoTon

CO2/añoCE/BL

1/2" 170,0 22,7 54.425 47.162 0,26201 0,6393 22,46

1" 266,1 28,6 85.200 76.032 0,42240 1,0307 36,21

2" 480,6 35,2 153.879 142.625 0,79236 1,9334 67,92

2 1/2" 581,8 39,6 186.275 173.582 0,96434 2,3530 82,66

3" 708,3 39,7 226.769 214.074 1,18930 2,9019 101,94

4" 910,7 46,9 291.560 276.546 1,53637 3,7487 131,69

6" 1.340,7 54,8 429.241 411.685 2,28714 5,5806 196,04

Total 1.427.349 1.341.706 7,454 18,188 638,91

Cod. CaracterísticaBalde

invertidoF&T Disco Termostático

Controlador diferencial

A Modo de operación Intermitente Continuo Intermitente Intermitente Continuo

B Ahorro de energía (Tiempo de servicio) Excelente Buena Deficiente Adecuada Excelente

C Resistencia al desgaste Excelente Buena Deficiente Adecuada Excelente

D Resistencia a la corrosión Excelente Buena Excelente Buena Excelente

E Resistencia al impacto hidráulico Excelente Deficiente Excelente Deficiente Excelente

F Venteo de aire y CO2 a la temperatura del vapor Si No No No Si

G Capacidad para ventear aire a presiones muy bajas Deficiente Excelente NR Buena Excelente

H Capacidad para manejar cargas de aire al arranque Adecuada Excelente Deficiente Excelente Excelente

I Funcionamiento al existir compresión Excelente Excelente Deficiente Excelente Excelente

J Resistencia a daños por congelamiento Buena Deficiente Buena Buena Buena

K Capacidad para purgar el sistema Excelente Adecuada Excelente Buena Excelente

L Desempeño con cargas muy ligeras Excelente Excelente Deficiente Excelente Excelente

M Respuesta a formación rápida de condensado Inmediata Inmediata Retardada Retardada Inmediata

N Capacidad para lidiar con suciedad Excelente Deficiente Deficiente Adecuada Excelente

O Tamaño relativo Grande Grande Pequeño Pequeño Grande

P Capacidad para manejar vapor flash Adecuada Deficiente Deficiente Deficiente Excelente

Q Falla mecánica Abierta Cerrada Abierta NR Abierta

Capacidad de tuberías de vapor a 7 bar

Sustitución de quemadores

Las calderas y hornos que operan en el país, en su mayoría cuentan con los quemadores originales de los equipos, es decir, quemadores cuyo avance tecnológico se remonta a más de 20 años.

• 35% de ahorro en consumos de combustible

• 50% de ahorro energético

IMPORTANCIA DE EFICIENCIA EN CALDERAS Y HORNOS.Hornos

Elementos claves para maximizar la eficiencia en la combustión• Asegurar que la cámara de combustión no

tienen fugas o infiltraciones de aire.

• Asegurar unas condiciones óptimas de operación de los quemadores.

• Establecer medición de O2 en chimenea.

• Establecer un programa de mantenimiento.

• Para el día a día:

Verificar la calibración del analizador de gases.

Verificar las compuertas del tiro forzado.

Medir periódicamente el contenido de CO en los gases para verificar combustión completa.

IMPORTANCIA DE EFICIENCIA EN CALDERAS Y HORNOS.Hornos ladrilleros

Optimización

1. Mejoramiento del secado2. Modificaciones en la cocción

Proceso productivo

Mejoramiento del secado

Pueden platearse:

1. Ajuste de los ciclos de secado2. Mejoramiento de la circulación de aireen los secaderos3. Replanteamiento de la disposición dela carga en los secaderos4. Modificaciones al diseño de lossecaderos5. Uso de calor residual para el secado6. Uso de combustibles alternativos

Modificación del secadero y empleode calor residual en el secado.

Los gases calientes son llevados a un acumulador decalor donde trasfieren calor a una masa cerámicadeterminada.

Posteriormente esta masa cede el calor a una corrientede aire que es calentado y luego llevado al secadero.

Modificaciones en la cocción1. Introducción de hornos Hoffman y hornos túneles en reemplazo de hornos pampa o colmena.

2. Instalación de sistemas alimentadores de combustibles y optimización de la combustión.

3. Empleo de combustibles alternativos: mezclas de carbón y biomasa, combustión directa.

MUCHAS GRACIASPaulo Cesar López

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS Y HORNOS

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