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FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Farje Epiquien, Heiser
1
UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE TESIS
DISEÑO DE UN CONDENSADOR PARCIAL A MEZCLA DE GASES
RESIDUALES POR AGUA FRIA PARA LA CALDERA ACUOTUBULAR
Nº12 DE 100 TM/H EN LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL CASA
GRANDE S.A.A PARA REDUCIR EL IMPACTO MEDIO AMBIENTAL.
AUTOR:
FARJE EPIQUIEN, Heiser
ASESOR:
PAREDES ROSARIO, Raúl Rosali
TRUJILLO – PERU
2012
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INDICE
INDICE DE CUADROS ............................................................................................................... 4
INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. 5
I. ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO: .............................................................. 7
1.1. Titulo tentativo ............................................................................................................. 7
1.2. Autor ................................................................................................................................ 7
1.3. Tipo de investigación ................................................................................................... 7
1.4. Lugar de investigación ................................................................................................ 7
1.5. Institución que investiga ............................................................................................. 7
1.6. Duración del proyecto ................................................................................................. 7
1.7. Cronograma De Trabajo ............................................................................................ 8
1.8. Recursos .......................................................................................................................... 9
1.9. Presupuesto ................................................................................................................. 10
1.10. Financiamiento ................................................................................................... 10
II. PLAN DE INVESTIGACION ...................................................................................... 12
2.1. EL PROBLEMA ........................................................................................................ 12
2.1.1. Realidad Problemática ...................................................................................... 12
2.1.2. Antecedentes ...................................................................................................... 13
2.1.3. Formulación Del Problema............................................................................... 14
2.1.4. Justificación ....................................................................................................... 14
2.1.5. Limitaciones ....................................................................................................... 14
2.1.6. Delimitaciones .................................................................................................... 15
2.2. OBJETIVOS ............................................................................................................... 15
2.2.1. Objetivo General ............................................................................................... 15
2.2.2. Objetivos Específicos ......................................................................................... 15
2.3. MARCO TEORICO ................................................................................................. 16
2.3.1. Generalidades sobre calderas acuotubular ..................................................... 16
2.3.1.1. Caldera Acuotubular ................................................................................ 16
2.3.1.2. Accesorios de una caldera acuotubular que quema bagazo .................. 18
2.3.1.3. Tipos De Combustibles En Una Caldera Acuotubular .......................... 19
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2.3.1.3.1. Carbón mineral ...................................................................................... 20
2.3.1.3.2. Bagazo de caña de Azúcar .................................................................... 21
2.3.2. Generalidades sobre la combustión ................................................................. 22
2.3.2.1. Combustión ................................................................................................ 22
2.3.2.2. Clases de reacciones de combustión ......................................................... 23
2.3.3. Generalidades sobre contaminantes en calderas que queman bagazo ......... 24
2.3.3.1. Gases de combustión ................................................................................. 24
2.3.3.2. Componentes de los gases de combustión ............................................... 25
2.3.3.3. Contaminantes en la chimenea de una caldera que quema bagazo ...... 25
2.3.4. Separador de contaminantes (scrubber). ........................................................ 27
2.3.4.1. Tratamiento de contaminantes con agua ................................................ 27
2.3.4.2. Lavador de gas ........................................................................................... 28
2.3.4.3. Tipos de lavadores de gases ...................................................................... 29
2.3.4.4. Ventajas y desventajas de las torres lavadoras ....................................... 32
2.3.5. Generalidades sobre equipos y componentes que integran el sistema ........ 32
2.3.5.1. Diseño de columnas (soportes del scrubber) .......................................... 32
2.3.5.2. Sistema eléctrico ........................................................................................ 35
2.3.5.3. Selección de tuberías ................................................................................. 38
2.3.5.4. Toberas ....................................................................................................... 39
2.3.5.5. Selección de los equipos mecánicos .......................................................... 39
2.4. HIPÓTESIS ................................................................................................................ 43
2.5. VARIABLES .............................................................................................................. 43
2.5.1. Variables independientes .................................................................................. 43
2.5.2. Variable dependiente. ....................................................................................... 43
2.6. DISEÑO DE CONTRASTACIÓN ........................................................................ 45
2.6.1. Tipo de Investigación ........................................................................................ 45
2.6.2. Material de estudio ............................................................................................ 45
2.6.3. Métodos, Técnicas e Instrumentos ................................................................... 45
2.6.4. Población-Muestra ............................................................................................ 46
2.6.5. Diseño de ejecución ........................................................................................... 47
BIBLIOGRAFÌA .............................................................................................................................. 48
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INDICE DE CUADROS
Tabla 1 Composición química del bagazo seco ........................................................................... 22
Tabla 2 Reacción de Oxidación .................................................................................................... 23
Tabla 3: Características de una torre rociadora .......................................................................... 29
Tabla 4: Características de una torre lecho empacado .............................................................. 30
Tabla 5 : Características de una torre lecho flotante .................................................................. 30
Tabla 6: Características de una torre centrifuga ......................................................................... 31
Tabla 7: Características de una torre tipo Venturi ...................................................................... 31
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Configuración de una caldera Acuotubular .................................................................. 16
Figura 2: Esquema general de una caldera acuotubular que quema bagazo ............................. 17
Figura 3: Cámara de combustión (hogar) y chimenea de una caldera....................................... 18
Figura 4 : Carbón mineral. ........................................................................................................... 20
Figura 5 Bagazo caña de azúcar .................................................................................................. 21
Figura 6 Composición De Los Gases De Combustión .................................................................. 25
Figura 7 : Absorción de partículas de material ............................................................................ 27
Figura 8: Valores de K para obtener la longitud efectiva ............................................................ 33
Figura 9: Diferentes tipos de ductos ........................................................................................... 39
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ASPECTOS
GENERALES DEL
PROYECTO
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I. ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO:
1.1. Titulo tentativo
Diseño de un condensador parcial a mezcla de gases residuales por agua fría para la
caldera acuotubular Nº 12 de 100 TON/H en la Empresa Agroindustrial Casa
Grande S.A.A para reducir el impacto medio ambiental.
1.2. Autor
Apellido y nombre:
FARJE EPIQUIEN, Heiser
Correo electrónico:
heiser9_10@hotmail.com
Escuela académica profesional:
Ingeniería Mecánica
1.3. Tipo de investigación
De acuerdo al fin que se persigue:
Investigación Aplicativa
De acuerdo a la técnica de construcción:
Investigación Descriptiva
1.4. Lugar de investigación
Trujillo-La Libertad-Perú
1.5. Institución que investiga
“Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A”
1.6. Duración del proyecto
ETAPAS INICIO TERMINO Recolección de datos 25/04/2012 23/05/2012
Análisis de datos 18/05/2012 10/05/2012
Elaboración del informe 5/06/2012 30/06/2012
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1.7. Cronograma De Trabajo
ETAPAS ABRIL MAYO JUNIO JULIO
ACTIVIDADES S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4
1. Ideas de proyecto 2. Recopilación de
datos del proyecto
3. Análisis de datos del
proyecto
4. Elaboración de
informe
5. Presentación de
informe
FUENTE: Elaboración propia
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1.8. Recursos
1.8.1. HUMANOS
Investigador
Asesor
1.8.2. BIENES
Material de escritorio
Papel bond A-4
Lapiceros
Lápiz
Grapas
Corrector
Perforador
Engrapador
Borrador
Folder de manila
USB 2 Gigas
1.8.3. SERVICIOS
Movilidad
Anillado
Internet
Teléfono
Impresiones
Fotocopiado
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1.9. Presupuesto
NATURALEZA DEL GASTO
NOMBRE DE RECURSO UNIDAD CANTIDAD PRECIO
UNITARIO TOTAL
(SOLES)
9.2.1.
DE CONSUMO: Materiales de escritorio.
Papel Bond A4 Millar 1 25 25
Lapicero Unidad 2 2,5 5
Lápiz Unidad 1 0,5 0,5
Grapas Caja 1 2,5 2,5
Corrector Unidad 1 3,5 3,5
Perforador Unidad 1 18 18
Engrapador Unidad 1 26 26
Borrador Unidad 2 1 2
Folder de manila Unidad 5 0,7 3,5
Memoria USB 2 Gigas Unidad 1 30 30
SUBTOTAL 116
9.2.2.
DE SERVICIOS:
Anillado Unidad 3 3 9
Internet Horas 180 1 180
Impresiones Pagina 200 0,2 40
Fotocopiado Pagina 110 0,1 11
Teléfono Minutos 150 0,5 75
SUBTOTAL 315
9.2.3.
Viáticos y Asignaciones Día 40 7 280
Pasajes y gastos de transporte Viaje 60 2 120
Viajes fuera de la ciudad Viaje 8 6 48
SUBTOTAL 448
9.2.4. Procesamiento de información Horas 50 6 300
SUBTOTAL 300
TOTAL S/. 1179 FUENTE: Elaboración propia
1.10. Financiamiento
Con recursos propios: Autofinanciado 100 %
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PLAN DE
INVESTIGACIÓN
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II. PLAN DE INVESTIGACIÓN
2.1. EL PROBLEMA
2.1.1. Realidad Problemática
La contaminación del aire es una de las expresiones del deterioro ambiental que
se presenta a todo nivel, como consecuencia de los Gases de Efecto Invernadero
(GEI) que son emitidos diariamente por las diferentes actividades realizadas en
nuestro país. En la distribución porcentual de emisiones totales de G.E.I en el
Perú; el aporte de los procesos industriales es de 21.2% y el energético es de
6.6% 1
Una de las industrias que emite gases contaminantes al medio ambiente viene a
ser la empresa Agroindustrial Casa Grande SAA, que cuenta con una planta
procesadora de caña de azúcar rubia, y también posee una planta procesadora de
alcohol. Siendo su materia prima básica la caña de azúcar, que luego de ser
procesada obtenemos el bagazo de caña.
La empresa con el fin de minimizar los gastos por la compra de combustible
(petróleo y sus derivados) y no desechar la caña ya procesada, utiliza el bagazo
combinado con el carbón como combustibles para la generación de vapor en su
caldera acuotubular Nº 12 de 100 TM/H de vapor; trayendo como consecuencia
de la combustión de estos dos productos, gases contaminantes (CO, CO2, NO2,
NO, SO2) y partículas de material producidas por la biomasa.
Ante este problema se busca regular las emisiones de los gases contaminantes a
la atmosfera a través de uno de los instrumentos de gestión ambiental como es el
Limite Máximo Permisible (LMP) que mide las concentraciones de las
sustancias presentes en los gases y que si se excede causa daños a la salud, al
bienestar humano y ambiental; esta información de los LMP2 para calderas
acuotubulares es proporcionada por la Norma Técnica Peruana (Calderas
Industriales).
Es así que se propone el diseño de un condensador parcial a mezcla de gases
residuales (scrubber) por agua fría para poder disminuir la contaminación
emanada por los gases residuales de una caldera acuotubular, dicho condensador
se encargara de atrapar algunas partículas producidas en la combustión
utilizando como agente condensante el agua fría.
1CIFRAS AMBIENTALES, emitidas por el Sistema Nacional de Información Ambiental (SINIA) , Diciembre
del 2011 2LMP disponible en: http://www.minam.gob.pe/index.php?option=com_content&view=article&id=100
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2.1.2. Antecedentes
Se encontró el siguiente trabajo de investigación.
A nivel internacional:
DISEÑO TEORICO DE UN SISTEMA PARA LA LIMPIEZA Y
PURIFICACION DE LA DESCARGA DE GASES DE COMBUSTION,
PRODUCIDA POR LA QUEMA DE ACEITE COMBUSTIBLE RESIDUAL
NUMERO SEIS, EN UNA RED DE CALDERAS.
Realizado por, CHACON FLORES, HUMBERTO ALEJANDRO, Escuela de
Ingeniería Química. Universidad de San Carlos de Guatemala.3
Se llegó a las siguientes conclusiones.
El modelo teórico determinado se ajusta a los requerimientos necesarios
para la limpieza y purificación de los gases de combustión provocados
por la quema de combustible número seis de alta viscosidad, en donde la
remoción de partículas sólidas es 99% y el dióxido de azufre 95%.
La eficiencia global de recolección de partículas en el depurador con
eyector Venturi es directamente proporcional a la caída de presión a
través de la garganta.
La caída de presión estática en cada una de las unidades de tratamiento
del sistema es directamente proporcional al consumo energético del
sistema lo cual se traduce en costo económico.
A nivel nacional.
‘DISEÑO DE UN CONDENSADOR A MEZCLA DE GASES RESIDUALES
POR AGUA FRIA PARA LA CALDERA PIROTUBULAR CLEAVER
BROOKS MODELO CB 600 800 150 DE 800 BHP’
Realizado por, ROJAS HORNA, JOSE MIGUEL JUNIOR, Escuela de
Ingeniería Mecánica. Universidad Cesar Vallejo4
Conclusiones:
La capacidad de condensación es superior a los 800 KW siendo capaz de
condensar al 100% los gases residuales a 45°C.
La temperatura de los gases residuales es superior a 180°C,lo que indica
la necesidad de instalar un condensador (scrubber)
3 La tesis esta disponible en esta pagina web: http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_4753.pdf
4 La tesis esta disponible en la biblioteca de la Universidad Cesar Vallejo-Trujillo
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2.1.3. Formulación Del Problema
¿Es viable técnica y económicamente reducir la emisión de gases
contaminantes y cenizas, generadas en la caldera acuotubular Nº 12 de la
Empresa Azucarera Casa Grande S.A.A mediante la implementación de
un condensador parcial de gases residuales?
2.1.4. Justificación
Justificación tecnológica
Con esta investigación se busca la implementación de tecnologías innovadoras,
con la utilización de condensadores de gases residuales por agua fría; y de esta
manera reducir los contaminantes que son producidos por la quema de
combustibles en las calderas de nuestro país.
Justificación institucional
Se permitirá que los alumnos de la Universidad Cesar Vallejo interesados en
esta investigación tener una visión más clara de los equipos que sirven para el
lavado, condensado y depuración de gases contaminantes, así como también la
metodología utilizada en el cálculo.
Justificación social
Nos permitirá tener una mejor calidad de vida en lo que respecta a la salud ya
que se reducirá aire contaminado y así se evitaría la proliferación de
enfermedades respiratorias.
Justificación ambiental
Reducción del impacto ambiental que causaría los gases residuales, pues los
gases condensados irían al desagüe y no al aire evitando así la contaminación del
mismo.
2.1.5. Limitaciones
Es autofinanciado por el alumno, lo cual no cubre todos los gastos
necesarios para hacer una investigación adecuada del proyecto.
Limitada bibliografía.
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2.1.6. Delimitaciones
Este estudio se centrara solo en la evaluación y análisis de los parámetros
energéticos de la Caldera Nº 12 en la Empresa Agroindustrial Casa
Grande S.A.A.
2.2. OBJETIVOS
2.2.1. Objetivo General
Diseñar de un condensador parcial a mezcla de gases residuales por agua
fría para una caldera acuotubular de 100 TM/H, para reducir la emisión de
contaminantes y minimizar el impacto ambiental.
2.2.2. Objetivos Específicos
Calcular el flujo másico de los gases residuales
Calcular la temperatura de los gases residuales
Dimensionar y seleccionar el tipo de condensador a mezcla de gases
residuales
Calcular el flujo másico de agua necesaria
Selección de la bomba de agua
Selección del ventilador
Dimensionar los soportes del scrubber
Seleccionar los motores eléctricos que accionan el ventilador y la bomba de
agua
Reducir la contaminación de aire
Calcula el costo de fabricación del condensador a mezcla de gases
residuales.
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2.3. MARCO TEORICO
2.3.1. Generalidades sobre calderas acuotubular
2.3.1.1. Caldera Acuotubular
La caldera acuotubular (agua dentro de los tubos), es una máquina o dispositivo
de ingeniería diseñado para generar vapor, del cual se aprovecha su energía
térmica contenida, en diferentes procesos industriales. Este vapor se genera a
través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido,
originalmente en estado líquido cambia de estado . Este tipo de calderas soy muy
utilizadas ya que trabajan a altas presiones y tienen gran capacidad de
generación.
La caldera acuotubular trabaja con el principio de circulación de agua. El agua
de alimentación fría se introduce en el calderin de vapor (domo superior) y baja
por el tubo de bajada hasta el calderin de lodos (domo inferior), debido a que
tiene una densidad superior a la del agua caliente. Su densidad disminuye
cuando pasa por el tubo de subida, donde se calienta formando burbujas de
vapor. El agua caliente y las burbujas de vapor pasan al calderin de vapor una
vez más, donde el vapor se separa del agua.5
Figura 1: Configuración de una caldera Acuotubular
Las calderas acuotubulares pueden clasificarse en calderas de tubos rectos y
calderas de tubos curvos; es el doblado tal para que los tubos entren radialmente
en el domo. Este tipo de calderas pueden proyectarse para quemar cualquier
clase de combustibles, carbón en diversos tipos de parrillas, aceites, gas y
bagazo.
5 CALDERAS ACUOTUBULARES en , http://www.spiraxsarco.com/ar/pdfs/training/gcm_04.pdf
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Los diferentes modelos de calderas de tubos curvados, tienen mejores
características de presión y temperatura, han ido desplazando gradualmente a la
caldera de tubos rectos en los servicios de alto rendimiento, de manera que en la
actualidad este tipo de caldera se ha generalizado en la industria productora de
fuerza.
La caldera de tubos curvados ofrece frente a los tubos rectos, muchas ventajas,
entre las que se destacan las siguientes:
Mayor economía en su fabricación y operación, debido al uso de
soldadura, aceros mejorados, construcción de paredes de agua y nuevas
técnicas de fabricación.
Mejor acceso para inspección, limpieza y servicios de mantenimiento.
Trabaja con mayor capacidad de evaporación y entrega de vapor más
seco.
Los elementos primordiales de que se compone la caldera acuotubular con tubos
curvados, están formados esencialmente por domos y cabezales, interconectados
por medio de tubos curvados. Está dotada de un horno refrigerado por el agua
que circula por dentro de los tubos que conforman las paredes
La caldera acuotubular de tubos curvados se puede adaptar para su operación
con aceites combustibles, gas, carbón, leña o bagazo.
Figura 2: Esquema general de una caldera acuotubular que quema bagazo
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2.3.1.2. Accesorios de una caldera acuotubular que quema bagazo
2.3.1.2.1. Hogar
Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el
producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se
presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se
adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método
de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión
completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.
Los hornos difieren en tamaño y forma, en la localización y esparcimiento de los
quemadores, en la disposición de la superficie absorbente del calor y de la
distribución de los arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la
geometría de la radiación, la velocidad y distribución de absorción del calor
Figura 3: Cámara de combustión (hogar) y chimenea de una caldera
2.3.1.2.2. Ventiladores
El tiro creado por la acción de inyectores de aire vapor o mediante ventiladores
centrífugos se conoce como tiro mecánico, el cual se requiere cuando deba
mantenerse un determinado tiro con independencia de las condiciones
atmosféricas y del régimen de funcionamiento de la caldera
a. Ventilador de tiro forzado
El tiro forzado se obtiene soplando aire en el interior de los hogares herméticos
bajo las parrillas y hogares mecánicos, o a través de quemadores de carbón
pulverizado. Podemos decir que la finalidad del ventilador de tiro forzado es
proporcionar el aire necesario para la combustión.
HOGAR
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El aire del tiro forzado es el que pasa a través del calentador de tubos,
aprovechando los gases de combustión que se dirigen a la chimenea. El hecho de
que se precaliente el aire ayuda notablemente a realizar una buena combustión.
b. Ventiladores de tiro inducido
El tiro inducido se consigue con un ventilador de chorro o con un ventilador
centrifugo colocado en los humerales, entre las calderas y las chimeneas, o en la
base de esta. El efecto de tiro inducido consiste en reducir la presión de los gases
por debajo de la presión atmosférica y descargar los gases a la chimenea con una
presión positiva.
2.3.1.2.3. Sopladores de hollín
Los sopladores de hollín normalmente se utilizan para evitar la acumulación de
depósitos que obstruyen el paso de los gases; además ayudan a mantener limpias
las superficies exteriores de los tubos que componen la caldera, aumentando así
la transferencia de calor desde los gases provenientes de la combustión.
Los sistemas de sopladores de hollín se utilizan para mantener la eficiencia de la
caldera y su capacidad por medio de la eliminación periódica de la ceniza y la
escoria que se adhiere a las superficies que, así, pueden absorber calor. Por
medio de corrientes violentas de vapor o aire que se producen en las boquillas
del soplador de hollín, se desprende la ceniza seca que se adhiere a la pared así
como la escoria, que entonces, caen dentro de un silo o viajan con el resto de los
gases de combustión hacia el equipo de purificación o al lavador de gases
(scrubber).
Básicamente un soplador de hollín es un tubo perforado en el cual sale el vapor,
generalmente saturado (por su volumen especifico) que rota de acuerdo a la
conveniencia del diseñador, puede ser a (90º, 120º, 140º, etc.).
2.3.1.3. Tipos De Combustibles En Una Caldera Acuotubular
Se denominará combustible a toda aquella sustancia que por su composición
haga posible la combustión de la misma, verificándose un desprendimiento de
energía. En la práctica la totalidad de los combustibles usados hoy en día
industrialmente son del tipo orgánico, donde el Carbono e Hidrógeno son los
elementos predominantes en su composición.
Los combustibles se clasifican en función del estado físico que presentan
habitualmente (gaseoso, solido, líquido). La razón de esta clasificación se debe
a que las técnicas y equipos a utilizar en la combustión dependerán del estado
físico del combustible.
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2.3.1.3.1. Carbón mineral
Es un término genérico que se utiliza para designar a un grupo de minerales
sólidos de origen vegetal con elevado contenido de carbono, en cuya
composición química se encuentra este elemento químico en proporciones
variables.
Figura 4 : Carbón mineral.
El carbón mineral se clasifica según su contenido de carbono, por el grado de
transformación que han experimentado en su proceso y por el uso al que se
adaptan. La escala más recomendada establece cuatro clases:
Antracita: Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el
menor en materia volátil de los cuatro tipos. 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. 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.
Hulla: Combustible fósil con una riqueza entre 75 y 90 % y un contenido
en volátiles que oscila entre 20 y 35 %. Es negra, mate y arde con
dificultad con una llama amarillenta. Se diferencia del lignito, por su
mayor poder calorífico (entre 30 y 36 MJ/Kg.)
Turba: Material orgánico compacto, de color pardo amarillento a negro.
Se produce así una carbonificación lenta, en la que la turba es la primera
etapa de la transformación del tejido vegetal en carbón. El contenido en
carbono aumenta del 40% en el material vegetal original, al 60% en la
turba. Tiene un poder calorífico inferior a 8.4 MJ/Kg.
Lignito: Variedad del carbón de calidad intermedia entre el carbón de
turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa
o leñosa. Tiene capacidad calorífica inferior 17,200 KJ/Kg. a la del
carbón común debido al contenido en agua (43.4%) y bajo de carbono
(37.8%). El alto contenido de materia volátil (18.8%) provoca la
desintegración del lignito expuesto al aire.
El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que tiene el carbón.
Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se
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realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las
centrales carbo eléctricas.
Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de
destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy
buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria
siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una
aleación de hierro y carbono) y metalúrgica.
Combustión del carbón mineral
La combustión de carbón mineral; al igual que cualquier otro combustible fósil,
produce dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), junto con
distintas cantidades de dióxido de azufre (SO2 ), en función de donde se extrae.
El dióxido de sulfuro reacciona con oxígeno al trióxido del sulfuro de la forma
(SO3), que entonces reacciona con agua al ácido sulfúrico de la forma (H2SO4).
El ácido sulfúrico se vuelve a la tierra como lluvia ácida.
2.3.1.3.2. Bagazo de caña de Azúcar
El Bagazo final, o simplemente el bagazo, es el material sólido, fibroso, que sale
de la abertura trasera del último de los molinos de la batería, después de la
extracción del jugo. Dependiendo de muchas variables tales como el número del
corte, edad, cantidad de materia extraña vegetal, tipo de extracción, etc., se
puede obtener alrededor de 250 kg de bagazo por tonelada de caña de azúcar
molida.6
Los elementos combustibles del bagazo son el carbono e hidrogeno. Para
obtener una combustión completa, sin dejar material no quemado y para que
todo el carbono se convierta en CO2 es necesario proporcionar cierto exceso de
aire
Figura 5 Bagazo caña de azúcar
6 TECNICAÑA, Aprovechamiento del residuo para quema y producción de vapor, pág., 22 , disponible en
(Mott)
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Ese material se utilizó siempre como fuente de energía para mover las fábricas
azucareras y las destilerías de alcohol debido a su poder calorífico, convirtiendo
tales unidades como autosuficientes para la generación de vapor.
Composición Física del Bagazo
A pesar de la de la diversidad de las plantas de molienda y de las maquinas
empleadas para ella, la composición química del bagazo varía entre limites
bastantes estrechos. Su propiedad más importante, desde el punto de vista de la
producción de vapor, es su humedad. Cuando el trabajo de los molinos es
deficiente, el contenido de humedad del bagazo será de aproximadamente del
50%, mientras que con un buen trabajo su contenido será del 45%.Además del
agua, el bagazo contiene:
Material insoluble, principalmente celulosa, y que constituye la fibra del bagazo,
sustancias en solución en el agua (evidentemente agua del jugo) consistentes en
azúcar e impurezas. Estas sustancias en solución se presentan en pequeñas
cantidades que van del 2 al 5%
Composición Química
La composición química del bagazo seco, varía ligeramente, de acuerdo con
diferentes autores:
N. Deerr. Hugot.
HIDROGENO 46.5% HIDROGENO 47%
CARBONO 6.5% CARBONO 6.5%
OXIGENO 46% OXIGENO 44%
CENIZAS 1% CENIZAS 2.5%
Tabla 1 Composición química del bagazo seco
2.3.2. Generalidades sobre la combustión
La contaminación del ambiente es uno de los problemas más graves que enfrenta
nuestra humanidad, entre los varios tipos de contaminación del ambiente se
encuentra la contaminación del agua, aire, suelos y el ruido. Como se puede
percibir, la contaminación del ambiente afecta la salud, calidad de vida,
economía y por ende, nuestro futuro; en este caso, la contaminación del aire es
causada por las emisiones de gases tóxicos generados en los procesos de
combustión incompleta y en combustión completa pero en menor porcentaje.
2.3.2.1. Combustión
La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se
libera controladamente parte de la energía interna del combustible. Una parte de
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esa energía se va a manifestar en forma de calor y es la que a nosotros nos
interesa.
Se trata de una reacción de oxidación con la particularidad de que se realiza muy
rápidamente, es exotérmica. Esta reacción se produce entre los elementos
combustibles de un combustible y el oxígeno del comburente. Para que un
combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de
ignición. Se define el punto de ignición de un combustible como la temperatura
a la cual, una vez iniciada la llama, está ya no se extingue. Es esta temperatura
de 20 a 60ºC más alta que la temperatura de inflamación.
En una reacción de oxidación tendremos
Primer Miembro Segundo Miembro
Combustible + comburente Gases de combustión + calor
Tabla 2 Reacción de Oxidación
Combustible: Toda sustancia capaz de arder
Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible
sufra oxidación
2.3.2.2. Clases de reacciones de combustión
Las reacciones se pueden clasificar según el modo en el cual transcurran de la
siguiente manera:
A. Combustión NEUTRA o estequiométrica
B. Combustión INCOMPLETA o imperfecta
C. Combustión COMPLETA
A. Combustión neutra
Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporta la cantidad justa de
oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos. Para que la
estequiometria se cumpla, hay que considerar todos los elementos que sufren la
reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar
totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, que se transformarán en productos
correspondientes que irán en los gases de combustión. Como inertes aparecerá,
por lo menos, el nitrógeno.
A veces, a los gases de combustión se les llama poder comburívoro o poder
fumígeno. Se define éste como los gases húmedos totales procedentes de una
combustión neutra o estequiométrica (de todos los elementos combustibles e
inertes también)
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B. Combustión incompleta
Es aquélla en la que por defecto en el suministro de aire no hay oxígeno
necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir
que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto
de combustión de CO. Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados
también se pueden producir por defecto en el aparato quemador.
Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin
quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases:
Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de
combustión
Gaseosos: CO, H2
Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el
combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se
deberían tomar medidas de algún tipo para mejorarla.
C. Combustión completa
Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un
exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad
estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles
sufran la oxidación (tanto el C como el O ó el H). En este caso no se van a
producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión
completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se
define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que aportar para
que se realice la combustión completa del combustible.
2.3.3. Generalidades sobre contaminantes en calderas que queman bagazo
2.3.3.1. Gases de combustión
Los gases de escape generados en los procesos de combustión se denominan
gases de combustión. Su composición depende del tipo de combustible y de las
condiciones de combustión, Ej. El valor del coeficiente de exceso de aire.
Muchos de los componentes de los gases de combustión son contaminantes del
aire y por tanto deben eliminarse de los gases de combustión con procedimientos
especiales de limpieza muchos de los cuales son lentos y costosos, antes de
liberar el gas a la atmósfera conforme a la normativa legal. Los gases de
combustión en su estado original se conocen como gases brutos y como gas
limpio una vez que han pasado por las fases de limpieza. A continuación se
explican los principales componentes de los gases de combustión.
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2.3.3.2. Componentes de los gases de combustión
El combustible está compuesto básicamente por carbono (C) e hidrógeno (H2).
Cuando estas sustancias se queman con aire, se consume oxígeno (O2). Este
proceso se llama oxidación. Los elementos de la combustión del aire y del
combustible forman nuevos enlaces formándose nuevos compuestos.
Figura 6 Composición De Los Gases De Combustión
2.3.3.3. Contaminantes en la chimenea de una caldera que quema
bagazo
Los gases de escape que se obtienen en las calderas, contienen una variedad de
subproductos, algunos de los cuales se considera contaminantes del ambiente.
Dependiendo del combustible utilizado, así será él peligro que causen estos
gases, pues algunos son considerados tóxicos.
Algunos contaminantes están relacionados con la composición del combustible,
mientras otros dependen de las características del proceso de la quema del
combustible y son sensibles al diseño y variables de la operación de los sistemas
de combustión.
Los principales contaminantes que se encuentran en los gases de combustión de
las calderas acuotubulares quemando bagazo de caña y/o carbón son:
a. Partículas de material: Son partículas de ceniza, arena y bagazo no quemado
de la combustión, que tiene características sólidas que arrastran los gases de
escape. El tamaño de estas partículas puede variar en diámetros desde
menores a una micra hasta un diámetro milimétrico. Cuando las partículas
son más grandes que las mencionadas anteriormente no llegan muy lejos en
la atmósfera y fácilmente caen a tierra, cerca de la fuente de combustión. Las
partículas pequeñas, que forman la mayor parte del material, pueden
permanecer en la atmósfera por largos periodos de tiempo y contribuyen a
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formar una especie de neblina o bruma que a larga distancia obstruyen la
visibilidad.
La composición y cantidad de las partículas generadas en las calderas, se ven
afectadas por varios factores que comprenden el tipo de combustible en uso,
que en este caso es el bagazo y/o carbón y en el modo de operación de la
caldera y las características de la combustión en el horno.
b. Oxido de nitrógeno (NOX): A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno
(N2) presente en el combustible y en el aire ambiente se combina con el
oxígeno del aire (O2) y forma el monóxido de nitrógeno (NO). Después de
algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno (O2)
para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es soluble en agua, tóxico si
se respira (produce daños irreversibles en el pulmón). El NO y NO2 en
conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NOX).La formación de “oxido de
nitrógeno del combustible” no tiene una explicación muy clara; existen
evidencias que este oxido puede reducirse al disminuir la cantidad de
oxigeno en la llama.
c. Monóxido de carbono (CO): El monóxido de carbono es un producto de una
combustión incompleta y su concentración en los gases de salida de la
caldera dependen de las condiciones de operación de la misma. Las
mediciones de CO en los gases de chimenea se utilizan a menudo como un
indicador de una combustión pobre. El CO es un gas invisible, inodoro y sin
sabor.
d. Nitrógeno (N2): El nitrógeno (N2) es el principal componente (79% en vol.)
del aire que respiramos. Este gas incoloro, inodoro y sin sabor no interviene
en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la
chimenea.
e. Dióxido de carbono (CO2): El dióxido de carbono es un gas incoloro e
inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el
verde de las hojas, la clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono
(CO2) en oxígeno (O2). La respiración humana y animal convierte el oxígeno
(O2) otra vez en dióxido de carbono (CO2). Esto crea un equilibrio que los
productos gaseosos de la combustión distorsionan.
f. Vapor de agua (humedad): El hidrógeno contenido en el combustible se
combina con el oxígeno para formar agua (H2O). Este agua sale del
combustible y del aire combustionado, dependiendo de la temperatura de los
gases de combustión (TGC), en forma de humedad del gas de combustión (a
una TGC elevada) o como condensado (a una baja TGC).
g. Oxígeno (O2): El oxígeno restante no utilizado en la combustión en el caso
de utilizar aire en exceso aparece como componente de los gases de
combustión y se utiliza para medir el rendimiento de la combustión. Se
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utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de dióxido
de carbono.
h. Dióxido de azufre (SO2): El dióxido de azufre (SO2) es un gas tóxico
incoloro con un olor fuerte. Se forma a partir del azufre del combustible. El
ácido sulfúrico (H2SO4) se forma en combinación con agua (H2O) o
condensados.
2.3.4. Separador de contaminantes (scrubber).
En la quema de bagazo de caña y/o carbón en la caldera acuotubular Nº12 de la
Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A, los sólidos residuales son
arrastrados por los gases de combustión, requiriendo la instalación de sistemas
de limpieza antes o después de las chimeneas para poder separar los
contaminantes, utilizando la separación vía húmeda con los lavadores de gases o
scrubber.
2.3.4.1. Tratamiento de contaminantes con agua
La aplicación de agua como medio de separación de las partículas de material
sólidas contenidas en los gases de escape de las calderas de vapor, se utiliza
haciendo pasar el agua a través de boquillas especiales diseñadas para formar
spray, logrando así que las pequeñas gotas de líquido hagan contacto con dichas
partículas aumentando su peso y por consiguiente caigan al fondo del separador.
Para lograr la separación de estos gases y residuos en el interior del scrubber se
utiliza el proceso de absorción, el cual basa su funcionamiento en el hecho de
que los gases residuales están compuestos de mezclas de sustancias en fase
gaseosa, algunas de las cuales son solubles en fase líquida. En el proceso de
absorción de un gas, el efluente gaseoso que contiene el contaminante a eliminar
se pone en contacto con un líquido en el que el contaminante se disuelve. La
transferencia de materia se realiza por el contacto del gas con el líquido.
Figura 7 : Absorción de partículas de material
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2.3.4.2. Lavador de gas
Un lavador de gases tipo húmedo es un dispositivo de control de la
contaminación del aire que remueve partículas de material y gases ácidos de las
corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Los contaminantes son removidos
principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y/o absorción del
contaminante sobre pequeñas gotas de líquido. La absorción de un gas por un
líquido depende que se logre un íntimo contacto entre el gas y líquido. Para
lograr tal contacto, se debe maximizar las superficies de exposición del gas y/o
del líquido. Conceptualmente esto se lleva a cabo rompiendo el líquido en finas
gotas que serán dispersadas a través del volumen de gas en todo su recorrido a
través del scrubber. El líquido conteniendo al contaminante, es a su vez
recolectado para su disposición.
Hay numerosos tipos de lavadores de gas húmedos las cuales remueven tanto el
gas ácido como partículas de material.
Mientras que un ciclón remueve partículas entre 10 y 50 micras, una torre
lavadora puede remover partículas entre 0.2 y 10 micras.
Los lavadores de gas tipo húmedos son particularmente útiles en la remoción de
partículas de material con las siguientes características:
Material pegajoso y/o higroscópico (materiales que absorben agua
fácilmente).
Partículas que son difíciles de remover en su forma seca;
Partículas de material en presencia de gases solubles; y
Partículas de material en la corriente de gases residuales con alto
contenido de humedad.
Los lavadores de gas tipo húmedo tienen numerosas aplicaciones industriales
incluyendo calderas industriales, incineradores, procesadores de metales,
producción de sustancias químicas, producción de asfalto y producción de
fertilizantes.
Los análisis teóricos de los mecanismos de remoción de partículas en una torre
lavadora no han sido tan profundos como en los casos de ciclones, filtros de tela,
y precipitadores electrostáticos. La selección y diseño de una torre lavadora se
basan generalmente en ensayos para el caso específico en consideración. Hay
que tener en cuenta que mientras las partículas de polvo sean más pequeñas, la
remoción es más fácil, y la caída de presión más alta. Como conclusión se puede
decir que ha mayor eficiencia de remoción mayor será la caída de presión.
El lavador de gases residuales tipo húmedo es diseñado con la finalidad de
condensar los gases residuales dándoles otro destino y así reducir la
contaminación del aire, contribuyendo a la reducción del impacto ambiental.
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2.3.4.3. Tipos de lavadores de gases
Existen 5 tipos de torres clasificadas de acuerdo a su utilidad y eficiencia de
colección (que van del 80 al 99 por ciento). Además el material de construcción
de estas, debe ser resistente a la corrosión y a la abrasión, debido a la presencia
de gases como SO2.
La principal ventaja de las torres lavadoras es la eficiencia de colección para
rangos muy amplios de partículas, así como las principales desventajas son, la
presencia de erosión y corrosión, y la dificultad para la disposición de lodos.
2.3.4.3.1. Torre Rociadora
Este tipo de torre lavadora es generalmente vertical y de sección circular. El
líquido lavador cae por gravedad, mientras que el gas contaminado fluye de
abajo hacia arriba. El gas libre de partículas contaminantes sale por la parte
superior de la torre. Con el fin de aumentar la posibilidad de contacto del líquido
lavador con las partículas contaminantes, se acostumbra colocar algunos bafles
perpendiculares al flujo.
Las partículas más grandes generalmente quedan removidas al hacer contacto
con el agua que se encuentra en la base de la torre. Este tipo de torre lavadora es
usado casi únicamente como tratamiento primario, para disminuir la temperatura
de los gases o remover partículas ente 5 y 10 micras.
CARACTERISTICAS DE LA TORRE ROCIADORA
Capacidad máxima
Velocidad de los gases
Concentración de
partículas
Tamaño de partículas
captadas
Caída de presión
Consumo de agua
Eficiencia aproximada
Tabla 3: Características de una torre rociadora
2.3.4.3.2. Torre de lecho empacado
En una torre de lecho empacado, el líquido lavador también fluye hacia abajo,
mientras que la corriente gaseosa va hacia arriba abriéndose paso a través de un
lecho ya sea de plástico, cerámica, ,madera etc. La forma de material que
conforma este medio puede ser esférica o muy irregular.
El principal objetivo de un lecho es una torre lavadora es aumentar el contacto
gas−líquido de un lavador, siendo mucho mejor, aquel lecho que proporciona el
máximo de contacto con la misma caída de presión.
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Las características de una torre lavadora en especial la caída de presión,
dependerá del tamaño del lecho y la relación líquido lavador−gas. Las torres de
lecho empacado se utilizan mucho para enfriamiento y absorción de gas pero
remueven partículas cuando están en concentración baja. Si la concentración de
partículas es alta se recomienda colocar como lecho esferas lívidas entre dos
parrillas, y que esas se puedan mover libremente bajo la corriente de gas y
liquido lavador, evitando así atascamiento del lecho.
CARACTERISTICAS DE LA TORRE LECHO EMPACADO
Capacidad máxima
Velocidad de los gases
Concentración de
partículas
Tamaño de partículas
captadas
Caída de presión
Consumo de agua
Eficiencia aproximada
Tabla 4: Características de una torre lecho empacado
2.3.4.3.3. Torre de lecho flotante
La torre lavadora de lecho flotante es similar a la de lecho empacado solo que
estas tiene varias capas de esferas u otros materiales granular de muy baja
densidad el cual flota cundo la corriente del gas contaminado pasa a través del
lecho, de abajo hacia arriba. Como en los casos anteriores, el líquido lavador es
distribuido desde la parte superior de la torre.
CARACTERISTICAS DE LA TORRE LECHO FLOTANTE
Tamaño de partículas
captadas
Caída de presión
manométrica.
Eficiencia
Tabla 5 : Características de una torre lecho flotante
2.3.4.3.4. Torre lavadora centrifuga
Esta torre lavadora tiene un principio similar al de un ciclón. El agua entra tan
tangencialmente por la parte inferior y asciende en forma de vértice. Varios
chorros de líquido lavador, también dirigidos en forma tangencial ayudan a
aglomerar y propiciar el choque de este con las partículas.
El sistema puede ser utilizado para absorber gases solubles como He NH3 y
neutralizar SO2, H2S y otros sulfuros orgánicos, utilizando una solución alcalina
que se puede recircular.
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CARACTERISTICAS DE LA TORRE LAVADORA CENTRIFUGA
Capacidad máxima
Velocidad de los gases
Concentración de
partículas
Tamaño de partículas
captadas
Caída de presión
Consumo de agua
Eficiencia aproximada
Diámetro de la torre
Altura de la torre
Tabla 6: Características de una torre centrifuga
2.3.4.3.5. Torre lavadora tipo Venturi
Una torre lavadora de tipo ventura se considera como de alta capacidad de
colección de partículas existiendo diversidad de diseños desarrollados
últimamente.
En una torre lavadora de tipo Venturi, el gas contaminado entra a una ventura en
donde choca con el líquido lavador. En el cuello húmedo, a medida que los gases
pasan por un orificio anular, se adquieren velocidades entre 3600 y 6000 m/min.
(12000 a 20000 pies/min.)
Debido a estas altas velocidades el líquido se pulveriza formando infinidad de
gotas pequeñas. La gran diferencia entre la velocidad de la corriente gaseosa y la
de las gotas finalmente divididas, aumenta la posibilidad de contacto
partícula−gota de agua. A medida que el gas abandona la sección ventura y se
desacelera, también hay impacto entre las partículas y las gotas de agua luego el
conglomerado es removido centrífugamente en la sección sincrónica.
La caída de presión en una torre lavadora de tipo ventura en alta, y aumenta a
medida que se incrementa la velocidad de gas.
La torre lavadora de tipo ventura tiene una aplicación casi exclusivamente para
la remoción de partículas submicrónicas, generalmente con caídas de presión
entre 10 y 60 pulgadas de agua.
CARACTERISTICAS DE LA TORRE LAVADORA TIPO VENTURI
Capacidad máxima
Velocidad de los gases
Concentración de
partículas
Tamaño de partículas
captadas
Caída de presión
Consumo de agua
Eficiencia aproximada
Tabla 7: Características de una torre tipo Venturi
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2.3.4.4. Ventajas y desventajas de las torres lavadoras
Ventajas
Eficiencias de colección altas para rangos muy amplios de partículas.
se puede remover partículas y gases simultáneamente.
Mantenimiento simple por la sencillez de la operación.
Se pueden remover gases corrosivos.
Desventajas
Se logra una mayor eficiencia a expensas de una caída de presión alta
Se produce aglomeración o encostramiento en el interior del equipo.
Se presenta erosión y corrosión.
Se produce vapor de agua que le da un aspecto blancuzco a la pluma, lo
que hace creer que la pluma esta mas contaminada.
La disposición de lodos es complicada.
2.3.5. Generalidades sobre equipos y componentes que integran el
sistema.
2.3.5.1. Diseño de columnas7 (soportes del scrubber)
Una columna es un miembro estructural que soporta carga axial de compresión,
y que tiende a fallar por inestabilidad elástica o pandeo, más que por
aplastamiento de material. La inestabilidad elástica es la condición de falla
donde la forma de una columna no tiene rigidez necesaria para mantenerla
erguida bajo carga.
La tendencia de una columna a pandearse depende de la forma y las
dimensiones de su sección transversal, también de su longitud y de la forma de
fijarla a los miembros de apoyo adyacentes. Las propiedades importantes de la
sección son:
El área de sección transversal
El momento de inercia I, de la sección transversal
El valor mínimo del radio de giro.
FIJACION DE EXTREMO
Este término se refiere a la forma en que se soporta los extremos de una
columna. La variable más importante es la cantidad de restricciones a la
tendencia de rotación que existe en los extremos de la misma. Las conexiones en
los extremos se muestran en la siguiente figura: 7 Robert Mott. Diseño de elementos de maquinas,4ta Edición, Editorial PARSON , pág. 234
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Figura 8: Valores de K para obtener la longitud efectiva
La forma de soportar ambos extremos afecta la longitud efectiva de la columna,
que se define como sigue
Donde:
De aquí se desprende varios parámetros como es la relación de esbeltez que es el
cociente de la longitud efectiva de la columna entre su radio de giro mínimo.
ANALISIS DE COLUMNAS
Existen dos métodos para el análisis de columnas:
1. La formula de Euler para columnas largas y esbeltas
2. La formula de J.B. Johnson para columnas cortas.
La elección del método apropiado depende del valor de la relación de esbeltez real de la
columna que se analiza , comparado con la relación de esbeltez de transición o
constante de columna Cc , que se define como:
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Donde:
Si la relación de esbeltez real es mayor que Cc, la columna es larga y se debe
emplear la ecuación de Euler.
Si la relación de esbeltez real es menor que Cc, la columna es corta y se debe
emplear la formula de J.B. Johnson para columnas cortas.
Columnas largas: Formula de Euler
Consiste en calcular la carga crítica Pr, para la cual la columna comenzara a
pandearse.
Donde:
Columnas cortas: Formula de J.B.Johnson
Para este caso la carga critica Pr esta dada por:
En resumen, el objeto del diseño y análisis de las columnas es garantizar que la
carga aplicada a una columna sea segura y que sea bastante menor a la carga
critica de pandeo.
COLUMNAS CON CARGA EXCÉNTRICA
Una carga excéntrica es aquella que se aplica fuera del eje centroidal de la
sección transversal de la columna. Esta carga ejerce flexión, además de la acción
de la columna (pandeo). El esfuerzo máximo esta en las fibras más alejadas de la
sección transversal, a la mitad de la columna que es donde existe la mayor
deflexión Ymax, se representa como y se calcula con la ecuación.
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Donde: P: Carga aplicada sobre la columna
A: Área de la sección transversal
e: Excentricidad
c: Distancia del eje neutro de la sección transversal hasta su orilla
exterior
K: Constante que depende del extremo fijo
L: Longitud real de la columna
r: Radio de giro.
Para fines de diseño se debe especificar un factor de seguridad N, y se calcula la
resistencia estimada de la columna con la ecuación:
Si este resultado es menor que el limite de resistencia a la fluencia Sy de
la columna, las dimensiones de la sección transversal de la columna son
satisfactorias
2.3.5.2. Sistema eléctrico
El sistema eléctrico de nuestro diseño lo viene constituyendo el motor eléctrico
que accionara el ventilador, y la bomba de agua, así como también los
conductores que alimentaran de energía a los motores. El diseño o la selección
del sistema eléctrico es proveer energía aún en las peores condiciones de
operación del scrubber. Los elementos actuando son tales como motor eléctrico,
cables (calidad y resistencia),
A. Selección del motor eléctrico
Para la selección del motor es necesario considerar algunos factores,
principalmente tenemos que tener en cuenta lo siguiente:
Tipo de motor: Según la energía de la corriente alterna, los motores
pueden ser monofásicos o trifásicos. La corriente trifásica circula en un
sistema de tres conductores, las grandes industrias y en especial las
maquinas usan corriente trifásica ya que los motores son mas pequeños (con
la misma potencia que un monofásico que es mas grande) y la operación es
mas económica.
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Voltaje y la frecuencia de operación: Un motor de corriente alterna sin
carga tiende a funcionar con o cerca de su velocidad síncrona , la cual
se relaciona con la frecuencia f, de la corriente alterna y con el número
de polos eléctricos p, que se devanan del motor
Donde:
: numero de pares de polo.
Los motores tienen un número de par de polos, en general de 2 a 12, con
sus respectivas velocidades síncronas. Pero los motores de inducción, que
son los que más se usa, funcionan aproximadamente al 95% de la
velocidad síncrona, a medida que la demanda de carga aumenta.
Los motores trifásicos de inducción también conocidos como jaula de
ardilla que se usan con más frecuencia son conocidos como diseños B, C
y D de acuerdo con la National Electric Manufactures Association
(NEMA). Su diferencia principal es el valor del par torsional
El diseño de 4 polos, con velocidades síncronas de 1800 rpm, es el más
común y se consigue casi con todas las potencias.
Potencia y velocidades nominales: En cortas palabras, un motor eléctrico
es una maquina que transforma potencia eléctrica tomada de la red de
potencia en potencia mecánica en el eje. La potencia eléctrica obedece a
la siguiente relación:
Donde: P: Potencia en KW
V: Voltaje o tensión en voltios
I: Corriente en Amperios
: Factor de potencia
Toda maquina consume mas potencia de la que entrega, por lo que es
importante considerar el termino de eficiencia. La potencia que el motor
consume y no convierte en potencia de salida son perdidas. La Eficiencia
o rendimiento es un valor proporcionado por lo fabricantes. De esta
manera la potencia requerida queda como:
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Donde: P: Potencia considerando el rendimiento del motor [KW]
Clase de servicio: Según la normativa para maquinas eléctricas, se
distingue las tres formas de trabajo siguientes:
Servicio permanente o continuo
Servicio de corta duración
Servicio intermitente.
Según el tipo de servicio se debe seleccionar un factor de seguridad para
descartar cualquier avería por calentamiento exagerado o por los
continuos arranques que se requiera. Este factor es tabulado por lo
fabricantes de motores eléctricos. Entonces, considerando este factor, la
potencia requerida es:
Donde: FS: Factor de seguridad tabulado por los fabricantes de
M.E
B. Selección de los conductores eléctricos
Se aplica este concepto a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la
electricidad; está formado primeramente por el conductor propiamente tal,
usualmente de cobre. El cobre constituye el elemento principal en la fabricación
de conductores por sus notables ventajas mecánicas (resistencia al desgastes,
maleabilidad) y eléctricas (capacidad de transportar la electricidad). La
seguridad y la opresión está relacionada con la calidad, la integridad y
características del aislante; la integridad del aislante depende de la corriente que
circula por el conductor y la sección del conductor. Conocida la potencia del
motor se determinada la sección nominal del conductor.
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Donde:
La corriente de diseño del alimentador debe ser 25% mayor que la de la
corriente nominal según CNE8, por tanto:
Donde:
De trabajar en condiciones donde la temperatura es alta, se debe considerar su
efecto sobre los conductores eléctricos.
2.3.5.3. Selección de tuberías
Tubería de agua de enfriamiento.
El agua para el lavado de los gases es provista por un tanque de almacenamiento
de agua e impulsada por una bomba, la selección de las tuberías de circulación
del agua será calculada dependiendo de las características de operación que se
requiera en el scrubber para condensar los gases de combustión de la caldera.
Tuberías de conducción
Es un sistema de extracción localizada por donde se transporta el flujo de gases
y partículas que han sido extraídas del hogar de la caldera hacia el scrubber,
también tenemos el ducto de descarga desde el scrubber hacia el desagüe;
además tienen ruta definida. Pueden ser ductos circulares, ductos rectángulos y
ductos cuadrados, por lo que destaca los ductos circulares, permitiendo una
distribución más uniforme de la velocidad, lo cual impide el depósito del
material.
Dependiendo de los requerimientos tanto de los gases de combustión como de la
mezcla de los gases con el agua de enfriamiento que ira al desagüe. Se
seleccionara los ductos de trasporte de estos flujos. En la siguiente figura se
muestra los tipos mas conocidos de ductos.
8 CNE: CODIGO NACIONAL ELECTRICO
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Figura 9: Diferentes tipos de ductos
2.3.5.4. Toberas
Una tobera de rociada o boquilla pulverizadora es un dispositivo empleado para
dividir un líquido en pequeñas gotas; y es esta característica la que usaremos
para el diseño de nuestro condensador de gases. Las aplicaciones de estas
toberas son numerosas y variadas, y en consecuencia, se emplean un gran
número de modelos. Se pueden clasificar en los siguientes tipos.
Tobera de presión
Tobera giratoria o rotativa
Tobera atomizadora por gas
2.3.5.5. Selección de los equipos mecánicos
La selección de los elementos mecánicos que influyen en el buen
funcionamiento del condensador de gases se realiza en función a lo requerido.
Dentro de los elementos mecánicos que vamos a seleccionar se encuentra un
ventilador de tiro inducido que cuya función se encarga de extraer los gases de
combustión de la caldera acuotubular hacia la entrada de scrubber; otro elemento
viene a ser la bomba de agua de enfriamiento que se encargara proveer el caudal
necesario para cubrir los requerimientos del condensador de gases.
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A. Ventiladores
Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del
aire (en este caso gases de combustión) en la industria. Su funcionamiento se
basa en la entrega de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta
velocidad y que incrementa la energía cinética del fluido, que luego se
transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos grandes grupos:
los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos.
Ventiladores axiales: En los ventiladores axiales, el movimiento del flujo
a través del rotor, con álabes o palas de distintas formas, se realiza
conservando la dirección del eje de éste
Se usan para mover grandes cantidades de aire en espacios abiertos;
como la resistencia al flujo es muy baja, se requiere generar una presión
estática pequeña, del orden de los 5 a 25 milímetros de columna de agua
(mmcda). Debido a esto, la principal aplicación de los ventiladores
axiales se encuentra en el campo de la ventilación general y se los conoce
con el nombre de extractores o inyectores de aire.
Ventiladores centrífugos: En estos ventiladores el aire ingresa en
dirección paralela al eje del rotor, por la boca de aspiración, y la descarga
se realiza tangencialmente al rotor, es decir que el aire cambia de
dirección noventa grados (90 °)
Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los
ventiladores axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de
columna de agua (mmcda) y son los empleados, mayormente, en los
sistemas de ventilación localizada.
El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el
mismo de las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que
posee una serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que
giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o
envoltura.
La selección de un ventilador consiste en elegir aquel que satisfaga los requisitos
de caudal y presión con que debe circular los gases, para la temperatura de la
operación y la altitud de la instalación y además se debe determinar su tamaño,
el número de revoluciones a las que debe girar el rotor, la potencia que debe ser
entregada a su eje, el rendimiento con el que funciona, el tiro ya sea forzado o
inducido, la disposición de la transmisión, el ruido generado, etc. Los fabricantes
de los ventiladores proporcionan la información necesaria para realizar una
correcta selección. Todos los ventiladores que entre si poseen medidas
proporcionales, o sea que son semejantes, pertenecen a una misma “SERIE”.
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B. Bomba de agua
Las bombas son de gran importancia en el trasporte de fluidos debido a su
capacidad de producir un vacío, con lo cual se puede empujar un fluido hacia
donde se desee transportar. Existe una infinidad de bombas de las cuales tienen
distintas funciones, todo depende del tipo de fluido, la temperatura y la presión
que soportara
En nuestro diseño se utilizara una bomba centrifuga ya que es de las mas
utilizadas en la industria, cuesta menos y es mas accesible su inspección y
funcionamiento. Para su selección se tomara los parámetros de funcionamiento
del scrubber y así poder determinar las características de operación de la bomba
de agua de enfriamiento.
La potencia absorbida por una bomba centrifuga es la requerida por esta en su
acoplamiento o al eje de la maquina de accionamiento, potencia mecánica que se
obtiene mediante la siguiente formula:
Donde: P: potencia
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GASES COMB.
DIAGRAMA DE FLUJO
CHIMENEA
DESCARGA
DESAGUE
CALDERA ACUOTUBULAR
SCRUBBER
TANQUE
DE
AGUA
V
B M. E
M. E
<
P.L.C
AIRE
CBLE
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2.4. HIPÓTESIS
Es viable técnica y económicamente diseñar un condensador parcial a
mezcla de gases residuales por agua fría para la caldera acuotubular Nº 12
de la Empresa Azucarera Casa Grande S.A.A. y así reducir la
contaminación del aire.
2.5. VARIABLES
2.5.1. Variables independientes
Flujo másico de gases residuales. (kg/s)
Temperatura de gases residuales. (ºC)
Flujo másico de agua fría necesaria para la condensación de los gases
residuales. (kg/s)
2.5.2. Variable dependiente.
Temperatura de condensación de los gases residuales. (ºC)
Flujo másico de la mezcla (gases residuales + agua) (kg/s)
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CAJA DE VARIABLES
CONDENSADOR
PARCIAL
(SCRUBBER)
Flujo másico del agua fría para la
condensación (kg/s)
Flujo másico de gases residuales.
(Kg/s)
Temperatura de gases residuales.
(ºC)
Temperatura de condensación de
los gases residuales. (ºC)
Flujo másico de la mezcla (gases
residuales + agua) (kg/s)
VARIABLES
INDEPENDIENTES
VARIABLES
DEPENDIENTES
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2.6. DISEÑO DE CONTRASTACIÓN
2.6.1. Tipo de Investigación
Considerando que nuestro objeto de estudio es la Caldera Acuotubular de 100
Ton/hora a la cual se analizara los parámetros energéticos de los gases de
combustión que emite; se considera del tipo Aplicativa y Descriptiva.
2.6.2. Material de estudio
Nuestro objeto de estudio es la Caldera Acuotubular Nº 12 de la Empresa
Agroindustrial Casa Grande S.A.A. con generación de vapor de 100 ton/h
tomando especial atención los parámetros físicos y energéticos contenidos en
los gases de combustión.
2.6.3. Métodos, Técnicas e Instrumentos
a) Observación
Se visualizara los dibujos y planos para conocer el proceso actual de la planta
térmica donde opera la Caldera.
b) Mediciones
Se toma datos de los termómetros, tablas termodinámicas para definir los
parámetros con los cuales opera los gases de combustión de la caldera.
c) Entrevista
Se entrevistara verbalmente a los operadores de la caldera para conocer sobre el
funcionamiento de la caldera en especial del hogar.
d) Analítica
Se tomó ecuaciones para realizar los cálculos de balance de masas y balance de
energía de los gases de combustión de la caldera y el scrubber.
e) Deductiva
Se recopilo información y datos de libros, páginas de internet para el desarrollo
de fórmulas y ecuaciones presentes en esta tesis.
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2.6.4. Población-Muestra
2.6.4.1. Población
La Caldera Acuotubular Nº12 de la Empresa Agroindustrial Casa Grande
S.A.A.- La Libertad con generación de vapor de 100 Ton/h, que utiliza
como combustible el Carbón y el Bagazo de la caña de azúcar.
2.6.4.2. Muestra
Se considera al hogar de la caldera Acuotubular de 100 ton/h de vapor.
a) Procedimiento a realizar
Punto 1: Identifica la necesidad reducir los gases contaminantes
emitidos por la Empresa
Debido al uso de combustibles sólidos en el hogar de la caldera se genera gases
contaminantes que luego serán emitidos al medio ambiente, es por eso que se
requiera la implementación de un scrubber para minimizar el impacto ambiental
de estos gases.
Punto 2: Recopilación y Análisis de los datos
Recopilación de los datos de la Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A – La
Libertad.
Se considera las características de operación de la Caldera Acuotubular Nº12 de
100 ton/h de vapor empleando como combustible el bagazo de la caña de azúcar
y el carbón; tomando especial consideración los datos presentes en los gases de
combustión.
Punto 3: Determinación del PCI de los combustibles.
Del análisis estequiometrico del bagazo y del carbón se procederá a calcular el
PCI de los combustibles.
Punto 4: Determinación de los flujos másicos de aire, combustible y
gases de combustión.
Aplicación de las ecuaciones de balance de masas para la determinación de cada
uno de estos.
Punto 5: Determinación del flujo de agua de condensación en el
Scrubber y la capacidad del mismo.
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Aplicación de las ecuaciones de balance de masa y energía para la determinación
de estos.
Punto 6: selección y dimensionamiento de los equipos del sistema que
conforman todo el diseño del scrubber.
Con los datos obtenidos anteriormente se procede a seleccionar la bomba de
agua de refrigeración, los motores eléctricos, el ventilador que extrae el gas de la
caldera, los soportes, los conductores del motor.
Punto 7: determinación de la viabilidad técnica y económica de la
implementación del condensador de gases.
Al desarrollar el cálculo se logra determinar si es viable técnica y
económicamente, ya que nos permitirá determinar si hubo una reducción de los
gases contaminantes emitidos al medio ambiente.
2.6.5. Diseño de ejecución
1. Datos de la caldera de estudio.
2. Análisis de los combustibles
3. Balance en la caldera
4. Análisis de los gases de combustión (T, flujos)
5. Diseño del ducto de gases contaminantes.
6. Selección del ventilador de tiro inducido.
7. Selección motor (accione el ventilador)
8. Balance en el scrubber.
9. Diseño del lavador de gases
Dimensión de lavador de gases
Cantidad de deflectores del scrubber
10. Diseño del ducto de descarga del scrubber
11. Diseño de los soportes del scrubber.
12. Descripción del funcionamiento del scrubber.
13. Fabricación de los elementos del scrubber.
14. Dimensionamiento y Selección de la red de tuberías
15. Selección de los aspersores.
16. Selección de la bomba de recirculación de agua.
17. Selección del motor eléctrico (accione la bomba)
18. Selección de las válvulas
19. Selección del tanque de agua.
20. Instrumentación.
21. Inversión de la fabricación y equipos del condensador de gases residuales.
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