polvillo de bagazo proveniente de una planta azucarera como combustible para calderas

5/21/2018 Polvillo de Bagazo Proveniente de Una Planta Azucarera Como Combustible Para Calderas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

TERMODINAMICA I

POLVILLO DE BAGAZO PROVENIENTE DE UNA PLANTA

AZUCARERA COMO COMBUSTIBLE PARA CALDERAS

Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que,

aplicando el calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan o

calientan el agua para aplicaciones industriales.

La mquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y

desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Al inicio fueron empleadas

como mquinas para accionar bombas de agua de cilindros verticales. Las

mquinas de vapor fueron las impulsoras de la revolucin industrial, la cual

comenz en ese siglo (XIX) y contina hasta el nuestro.

Las calderas bagaceras son solo un tipo de calderas las cuales tienen por

caracterstica el uso del bagazo de caa de azcar como combustible para la

generacin de vapor. El bagazo que se utiliza para la combustin y que se

describir con ms detalle en este captulo, es el residuo que se genera luego de

habrsele extrado la mayor cantidad de agua y azcar a la caa.

La energa producida por esta combustin sirve para calentar agua y

convertirla en vapor sobrecalentado a altas presiones que luego es dividido

para ser utilizado en diferentes mquinas del ingenio como molinos,

turbobombas y los turbogeneradores. Los turbogeneradores se utilizan para

la extraccin de la energa que lleva el vapor y la transformacin a energa

elctrica. Luego de haberse extrado gran parte de la energa en el

turbogenerador, queda un vapor saturado a baja presin, el cual es

utilizado para el calentamiento en otros equipos de la fbrica.

Las calderas bagaceras son de vital importancia para los ingenios

azucareros tanto econmica como medioambientalmente, ya que se puede

producir energa de una forma

relativamente econmica, quemando un desecho propio de la fbrica y el

cual no contribuye a la emisiones globales de dixido de carbono.


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TERMODINAMICA I

Bagazo de Caa de Azcar como Combustible

En los ingenios azucareros , la materia prima que es utilizada como

combustible para la produccin de vapor, que luego pasa a los

turbogeneradores para generar energa elctrica, es el bagazo de la caa de

azcar, el cual es un subproducto de la obtencin de azcar.

El bagazo se comenz a utilizar como un complemento de los combustibles fsiles

que eran usados para el funcionamiento de la planta de produccin, pero con el

tiempo, al aumentar las capacidades de procesamiento de caa de azcar en

los ingenios, la produccin de bagazo tambin aumento por lo que logr sustituir

completamente a dichos combustibles, que aunque con mayor aporte energtico,

en el aspecto econmico no podan competir con el bagazo.

En un ingenio del Salvador se conoce que la cantidad de bagazo que se genera es

alrededor

del 24.5% de la cantidad de caa que se procesa. Estos valores se

apegan a datos bibliogrficos, los cuales rondan entre 24-28% del peso de la

caa [Hugot, 1964].

Este bagazo generado est compuesto principalmente por material insoluble

(o fibra de bagazo), agua, cenizas y sustancias en solucin como azcar y otras

impurezas.

De las caractersticas anteriores, la humedad del bagazo es la propiedad

fsica ms importante del bagazo en lo que respecta a su calidad de combustible

para las calderas. En ingenios alrededor del mundo se manejan promedios quevan de un 44% hasta 50% para las plantas ms modernas [Chen, 1991]. Este

porcentaje de humedad depende de la eficiencia de los molinos en el momento de

la extraccin del jugo de caa.

Se conocen ms de un centenar de clases de caa de azcar las cuales no son


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separadas en el momento de la molienda por lo que las propiedades del

bagazo que se genera es la representacin de la mezcla de todas estas clases.

En la Tabla 2.1 se muestran los valores del porcentaje de humedad del bagazo

generado en un ingenio azucarero Del Salvador.

Adems del agua, en el bagazo se encuentran materiales insolubles como lacelulosa que es

la que constituye la fibra del bagazo y que representa alrededor del 50%

del peso de bagazo. Tambin hay pequeas cantidades de azcares solubles

que van desde un 2% hasta un 5% en peso de bagazo [Hugot, 1964].

La fibra es lo que le da el valor energtico al bagazo para poder utilizarlo

como combustible para calderas. Este valor energtico es medido a travs

del poder calorfico (PC), que es la cantidad de energa que el combustible puede

producir por unidad de peso en la combustin, las unidades ms comunes son

BTU/lb y Kcal/kg para el Sistema Ingles y el Sistema Internacional,

respectivamente. La determinacin de la energa producida se hace mediante

dos poderes calorficos distintos [Hugot, 1964]. Estos se definen a

continuacin.

Poder Calorfico Superior (PCS): Es el calor producido por un kilogramo de

combustible cuando la combustin se lleva a cabo a condiciones estndar,

llevando todos los productos tambin a estas condiciones y suponiendo que el

vapor producido se condensa.


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Poder Calorfico Inferior (PCI): Llamado tambin Poder Calorfico Neto. Este

poder calorfico supone que el agua producida se encuentra en forma de vapor y,

al igual que el PCS, los productos se encuentran a condiciones estndar.

De lo anterior se puede notar que la diferencia entre los poderes calorficos es la

energa de vaporizacin del agua, por lo que resulta muy fcil relacionar

estos dos valores. La Ecuacin 2.1 presenta la relacin entre los dos poderes

calorficos en unidades de caloras por cadagramo de combustible [cal/g], donde

en la mayora de los casos se cuenta con el PCS ya que este es obtenido en los

anlisis de laboratorio.

Chen [1991] presenta resultados del PCS obtenidos en estudios anteriores

para la caa producida en diferentes partes del mundo como Cuba, Luisiana,

Hawai, Puerto Rico y

Australia. A partir de estas pruebas se estableci que el PCS del bagazo ronda

entre valores de 4550 a 4660 Kcal/kg.

En El Salvador, al igual que en el caso de la humedad en el bagazo, los valores de

PCS son un promedio del bagazo producido de los lotes de caa que seprocesan. La Tabla 2.2presenta los valores promedio que se obtuvieron de un

ingenio salvadoreo.


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Otro aspecto que es muy importante estudiar es la composicin qumica del

bagazo, la cual

no muestra variaciones muy notables entre diferentes tipos de bagazo en

relacin a investigaciones realizadas por diferentes autores. En la Tabla

2.3 se muestran las composiciones presentadas por Hugot [1964] haciendo

referencia a estas investigaciones.


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Otros autores tambin hacen referencia a componentes que se encuentran

en pequeas cantidades tales como el Nitrgeno (N) y al Azufre (S), que

aunque se encuentren en cantidades que se consideran como mnimas, son

estos componentes, provenientes de la combustin del bagazo, los que

representan los mayores efectos negativos para el medio ambiente. En la

Tabla 2.4 est la composicin que presenta Daz [2008], los anlisis hechos

son en base al bagazo seco generado en el Ingenio Valdez en Ecuador y en esta

se puede observar la poca cantidad de nitrgeno y azufre que el combustible

posee.

Por otra parte, el contenido de cenizas en el bagazo, predominantemente

compuestas por xidos de aluminio, calcio, hierro y silicio [Manahan, E., s.f], es

relativamente bajo como se muestra en la Tabla 2.3 y Tabla 2.4, pero este

porcentaje puede aumentar debido a la mecanizacin de la cosecha y si sta se

realiza en periodo de lluvia se puede elevar hasta valores de 12 a 15 por

ciento. Este porcentaje es muy determinante en la generacin de materialparticulado ya que, junto con la eficiencia de remocin de cenizas del

sistema determinan el flujo de partculas que saldrn por la chimenea de la

caldera despus de la combustin.

La combustin del bagazo genera gases propios de esta reaccin as como

tambin restos de

material particulado que estn compuestos principalmente de cenizas

(provenientes del bagazo) y, en menor parte, por carbono que proviene de las

partes fibrosas del bagazo que no se logran quemar totalmente.


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Los gases de combustin, por otro lado, estn compuestos por dixido de

carbono, compuestos orgnicos voltiles (generados por una combustin

incompleta), oxigeno (proveniente del exceso de aire para la combustin),

vapor de agua (generado por la combustin y de la humedad que se encuentra

en el bagazo) y nitrgeno molecular que se aade en el aire y el cual se considera,

para efectos del balance de masa y energa, que no reacciona en xidos de

nitrgeno durante la combustin. Las ecuaciones qumicas que representan

los productos gaseosos generados por la combustin del bagazo se muestran en

la Ecuacin 2.2 hasta la 2.4

+ (Ec.2.2)

La ecuacin anterior para la generacin de monxido de carbono libera menos

energa que la reaccin de generacin de dixido de carbono, es por esto que a

medida que se genera ms monxido se disminuye la energa suministrada al

sistema.

En el aspecto ambiental, los gases provenientes de la combustin del

bagazo contienen menos contaminantes que los gases de los combustibles

fsiles ya que stos tienen compuestos sulfurosos (SO2 y SO3), varios

hidrocarburos y otros componentes en bajas concentraciones que no poseen

los gases provenientes de la quema del bagazo. Los compuestos de azufre

y de nitrgeno son los causantes de las lluvias acidasprovocando muchos

daos en los alrededores a las fuentes de emisin de dichos gases.


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TERMODINAMICA I

Aunque las emisiones de partculas son menores en los combustibles

fsiles, el dao que los gases txicos provocan es bastante alto para los cuales

los tratamientos no siempre son muy eficientes o demasiado costosos para la

industria salvadorea. En cambio, la tecnologa en el tratamiento de material

particulado producido por la combustin es muy avanzada, por lo que el daoprovocado por el material particulado de la quema de biomasa

podra no ser comparable al efecto negativo de los gases de combustin

por la quema de combustibles fsiles.

En la eficiencia energtica, el combustible fsil posee un poder calorfico muy

superior en comparacin al del bagazo de caa, lo que provoca que la eficiencia

trmica de la caldera aumente. En la Tabla 2.5 se muestran los poderes

calorficos de diferentes combustibles fsiles, adems del valor correspondiente

al bagazo de caa.

A partir de estas diferencias de aprovechamiento energtico se basa actualmente

el precio del bagazo de caa en relacin a otros combustibles y siendo el bagazo

un subproducto de la produccin de azcar en el ingenio no se incurre en un gasto

para su uso. Desde el punto de vista econmico, lo anterior es lo que

incentiva el uso del bagazo como combustible para las calderas, aunque en

varios ingenios en el mundo se usa una mezcla de ambos (Bagazo yCombustible Fsil).


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TIPOS DE CALDERAS

Para que las calderas cumplan su funcin se han diseado diferentes

configuraciones y variaciones, especialmente de dos tipos, calderas

pirotubulares y acuatubulares [ICAITI, 1981]. Sin embargo, en la actualidad seconocen diferentes tipos de calderas, las cuales se clasifican dependiendo de

diferentes criterios, como las caractersticas fsicas que posea o del camino que

se sigue para la transferencia de energa del combustible hacia el agua. La

Universidad Pontificia Bolivariana present en el 2002 una clasificacin de

los tipos de hornos basada en los criterios antes mencionados. A

continuacin se presentan las clasificaciones ms importantes para este trabajo.

a. Por la Disposicin de los Fluidos

Pirotubulares

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la

combustin de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo

exterior esta baado por el agua de la caldera.

El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisin

de calor por radiacin, y los gases resultantes, se les hace circular a travs de los

tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el

intercambio de calor por conduccin y conveccin. Segn sea una o varias las

veces que los gases pasan a travs del haz tubular, se tienen las calderas de uno

o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos,

los humos solo atraviesan un determinado nmero de tubos, cosa que se logra

mediante las denominadas cmaras de humos. Una vez realizado elintercambio trmico, los humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea

[Pull, 1977].

Acuatubulares:

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el


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que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a travs del

caldern o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la

caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de

intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador,

economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos

y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustin del

combustible y constituyendo la zona de radiacin de la caldera.

Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustin son

conducidos a travs del circuito de la caldera, configurado este por paneles de

tubos y constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente, los gases

son enviados a la atmsfera a travs de la chimenea.


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b. Por el Combustible Empleado

Combustibles Slidos

Combustibles Lquidos

Combustibles Gaseosos

Combustibles Especiales (Bagazo, Licor Negro, etc.)

Mixtas

De Recuperacin de Calor de Gases

c. Por el Tiro

De Tiro Natural: el aire necesario para la combustin es tomado del

aire de los alrededores de donde est instalada la caldera. En este tipo de

calderas los gases son expulsados por el efecto de la diferencia de

presin provocado por la chimenea [Pull, 1977].

De Hogar Presurizado: las hay de dos configuraciones, en sobrepresin y

en depresin. En el primer caso, una corriente de vapor recalentado es alimentado

a la caldera por debajo de la parrilla por medio de un sistema mecnico (Tiro

Forzado) generando presin en el interior de la caldera. En el segundo los gases

se succionan hacia el ambiente por medio de un ventilador (Tiro Inducido),

en este caso los gases poseen mayor velocidad de salida [Pull, 1977].

De Hogar Equilibrado: la alimentacin de aire y la salida de los gases de

combustin se hace de forma mecnica (Tiro Forzado y Tiro Inducido,

respectivamente), por lo que la presin dentro de la caldera es equilibrada por

estas dos corrientes de flujo. Este equilibrio se mantiene en una depresin

(presin negativa) para asegurar que los gases viajen hasta la chimenea [Pull,

1977].


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Descripcin de las Partes de una Caldera Bagacera

La estructura de una caldera bagacera, desde la alimentacin del bagazo hasta la

salida de los gases por la chimenea, se presenta en el diagrama de flujo de la

Figura 2.2. Adems, en la Tabla 2.6 se presentan los nombres de cada lnea

de flujo mostrada en el diagrama de dicha figura.

El bagazo procedente de los molinos entra al hogar de la caldera por

medio de varios alimentadores rotativos, llamados alimentadores de bagazo.

Este tipo de alimentador posee dos rodos que a medida que giran van

permitiendo que el bagazo entre a una velocidad proporcional al giro de ellos.

Luego el bagazo para al hogar u horno de la caldera, que es el lugar donde se

lleva a cabo la combustin del bagazo, y comprende todo el espacio entre la base

de caldera (a la que se le llama parrilla) y hasta el punto antes de los ceniceros

[Hugot, 1964]. En esta definicin el economizador y el precalentador son parte

del hogar de la caldera; sin embargo, en la descripcin que se har se ha

tomado como equipos separados para una mejor visualizacin.

Posteriormente, los gases de combustin y las cenizas salen de caldera por una

diferencia de presin (producida por un tiro inducido) intercambiando calor

con los tubos que conducen el agua hacia el domo de vapor y pasando luego

(los gases) al precalentador y al economizador. Por ltimo, los gases pasan

por un sistema de remocin de partculas y posteriormente salen, impulsados

por el mismo tiro inducido, a travs de la chimenea. Lo anterior se explicar con

un poco ms de detalle ms adelante.


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Hugot [1964] presenta los que son considerados como los principales tipos de

hornos para el uso de bagazo como combustible. Estos tipos de hornos son los

siguientes:

Horno de Gradilla: La parrilla est compuesta por placas de fundicin,dispuestas en escalones con una inclinacin de 52 grados. La parrilla est

dividida en tres partes.


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Las tres partes en la que se divide la parrilla del horno de gradilla son:

Parte Superior o Placa Anterior, es sin gradas ni aberturas para el paso del

aire y en la que el bagazo se seca antes de pasar a la parrilla

Gradas de Fundicin, es aqu donde se quema el bagazo. El espaciado de

entre las gradas est relacionado con la cantidad de aire que debe pasar entre

el bagazo para lograr el nivel de combustin deseado.

Cenicero, es en la parte inferior de la parrilla que es donde finaliza la

combustin por lo que las cenizas se retienen en este punto.


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Horno Cook: En este horno el bagazo cae directamente al hogar de la

caldera que es en forma de herradura, que adems es tambin otro nombre

para este tipo de hornos. La entrada de aire se hace por debajo y en los

alrededores del horno para que el bagazo que entra se acumule formando una

montaa para luego entrar en combustin, que cuando se consume las

cenizas caen en los alrededores.

Horno Ward: Al igual que en los Hornos Cook, el bagazo es apilado en la

parrilla por la cual se hace pasar una corriente de aire para hacer que se queme

el bagazo. La mejora de diseo de los Hornos Ward con otros tipos es el hecho

de que el horno est colocado bajo la superficie de calentamiento. Para

mantener el calor del horno dentro de ste, el rea de direccionamiento de

los gases es limitada por dos arcos opuestos entre s dejando un

espaciamiento de cincuenta centmetros a lo ancho del horno.

Horno Distribuidor: La alimentacin del bagazo a este tipo de hornos es lo que

constituye la caracterstica ms notable. La entrada de bagazo se realiza por

medio de una cada; pero conjuntamente se est alimentando aire por debajo de

esta cada de bagazo provocando que el bagazo quede suspendido dentro del

horno, durante este lapso de tiempo el bagazo se quema para que las

cenizas se depositen luego sobre la superficie de la parrilla.

Domos de agua

Las calderas cuentan con domos superiores y domos inferiores, tambin llamados

domos de vapor y domos de agua respectivamente. Estas dos cmaras se

encuentran interconectadas por los tubos en los cuales el agua y los gases

intercambian calor en el hogar de la caldera para producir el vapor a las

condiciones determinadas. El vapor es dirigido hacia los turbogeneradores,

los cuales se encargan de extraerle la mayor parte de la energa que posee

para convertirla en energa elctrica.

Precalentador y Economizador

Como se mencion anteriormente, estas dos partes de la caldera suelen tomarse

en algunos casos como parte del hogar de la caldera y cuyas funciones son

intercambiar calor con los gases provenientes de la combustin. El

precalentador intercambia calor con el aire alimentado por el tiro forzado


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mientras que el economizador intercambia con el agua de alimentacin

proveniente de los deaireadores.

Tiro forzado

El aire que pasa por el alimentador es aire atmosfrico que es impulsado por un

ventilador al cual se le llama tiro forzado. El intercambio de calor en el

precalentador, permite que el aire ingrese a una mayor temperatura que la del

ambiente. Luego, el aire es dividido en dos flujos para ser introducidos tanto en la

parte de arriba como en la parte de abajo de la zona de combustin del hogar

de la caldera, esto se hace con el objetivo de que el bagazo se quede en

suspensin mientras se quema, mejorando de esta forma la combustin. El

aire que ingresa en la parte alta de la caldera es llamado overfire y el que ingresa

por la parte baja es llamado forzado.

En el cuarto de control, el tiro forzado se mide en funcin del porcentaje

de abertura del dmper,de tal forma que para un porcentaje definido de abertura

se introduce una cantidad definida de aire para la combustin.

El aire introducido est relacionado con la cantidad de aire que se necesita para

quemar el

bagazo, de tal forma que existe una relacin entre el porcentaje de la

velocidad de los alimentadores y la del dmper del tiro forzado. Esto sepresenta en el control como Relacin Aire/Bagazo.

Tiro inducido

El tiro inducido es un ventilador que se encarga de realizar el vaco dentro

del sistema, succionando los gases y lanzndolos con mucha velocidad a travs

de la chimenea la cual se encuentra justo despus del tiro.

Sistemas de Tratamiento Material Particulado

Adicionalmente a la caldera, se instalan equipos de tratamiento para la

disminucin de la concentracin de algunos de los gases y del material

particulado que es emitido a la atmsfera proveniente de la combustin.


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En el caso de las calderas bagaceras el equipo de tratamiento es principalmente

dirigido al control de las emisiones de partculas, debido a que la combustin del

bagazo no produce las cantidades de compuestos qumicos que en comparacin

emiten los combustibles fsiles (compuestos nitrogenados y sulfurados).

El diseo de los equipos de tratamiento es en funcin de las caractersticas

del flujo que transporta las partculas, ya que, por ejemplo, el mecanismo de

limpieza en algunos equipos depende de la velocidad de este flujo de gases o de

los tamaos de las partculas que viajan en l. En la industria, los equipos de

tratamiento de material partculas ms usados son [Bonato, 2000]:

Cmara de Sedimentacin por Gravedad

En este tipo de equipos el flujo de gases es dirigido a una cmara de grandes

dimensiones para que la velocidad del flujo disminuya, para favorecer que

las partculas de mayor tamao precipiten. Dentro de la cmara se colocan

placas inclinadas en la direccin del flujo para ayudar a que las partculas

pierdan velocidad, y as limitar los tamaos de las cmaras.

La eficiencia de las Cmaras de Sedimentacin es de alrededor del 30%,reteniendo las partculas mayores a 25 micras. Debido a lo anterior seacostumbra usarlas como

pretratamiento antes de que ingrese a otros equipos con mayor eficiencia de

remocin.

Ciclones

Debido a la velocidad con que se mueve el flujo de gases y partculas al entrar en

el cicln, que posee forma circular, describen una trayectoria en espiral.Durante este movimiento, sobre las partculas acta una fuerza centrifuga

provocando que las partculas choquen contra la pared del cicln y pierdan

velocidad. La corriente de gases luego de ser tratado sale por la parte

superior del equipo.


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Los ciclones poseen una eficiencia de remocin, que vara en funcin del peso y el

tamao de las partculas, que va desde un 30% hasta un 90% para partculas de

tamaos entre 5 y 20 micras.

Separadores Hmedos

En estos equipos la separacin se hace por medio de una corriente de agua que

se esparce en forma de gotas finas al flujo que lleva las partculas. La direccin de

la corriente de agua puede ser en contracorriente o en corriente paralela en

relacin al flujo de gases. El nico propsito del lquido es arrastrar las partculas

hasta la parte inferior del equipo.

La eficacia de este tratamiento es dependiente del grado de contacto que tenga elagua con las partculas, por lo que es importante controlar el grado de

atomizacin del lquido y el tiempo de contacto entre los dos flujos. En buenas

condiciones de funcionamiento se puede lograr hasta un 99% de remocin de

partculas.

Precipitadores Electrostticos (Electrofiltros)

Este sistema est basado en que las partculas que se transportan en la

corriente gaseosa pasan a travs de un campo elctrico elevado, de entre 20000

a 800000 voltios, adquiriendo carga negativa y son atradas por unas placas

cargadas positivamente, para luego ser recogidas por mecanismos apropiados.

Luego de este tipo de tratamiento el flujo de salida baja hastaconcentraciones de 20 mg/Nm

3. Los niveles de eficiencia rondan el 95% para

partculas muy finas (2 micras) y de un 99.9% para partculas finas (10 micras).

Filtros de MangasEstn compuestos por mallas de alambre en forma de bolsas cilndricas

que estn recubiertas por filtros. Estas bolsas estn en una cmara donde

la corriente que lleva las partculas es forzado a atravesarlas, desde afuera

hacia adentro de las bolsas, quedando las partculas retenidas en el lado

externo para luego ser recogidas en la parte inferior de la cmara.


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Aunque los poros de estos filtros son de alrededor de 50 micras, pueden

llegar a retener partculas de hasta 0.1 micras debido a la capa de polvo que se

forma en la superficie. Lo anterior hace que la eficiencia alcance valores cercanos

a 99.9%.

Chimeneas

Las chimeneas tienen la funcin de conducir los gases que han sido impulsados

por el tiro

inducido hacia la atmsfera y de esta forma evitar la acumulacin de gases

y partculas alrededor de la caldera. En el Capitulo 7.3 se demuestra el

efecto de las alturas de la chimenea para la dispersin del material particulado

emitido por la caldera.

Eficiencia de una Caldera

La eficiencia de la caldera se define como la razn entre el calor absorbido

por el vapor

producido y la energa total disponible suministrada por el bagazo. La

eficiencia esta expresada de la siguiente forma:

Donde,

Qv: calor absorbido para calentar el vapor

QT: calor liberado por la combustin del bagazo


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TERMODINAMICA I

Debido a que QT terico depende del poder calorfico del bagazo, el clculo de la

eficiencia de la caldera depender tambin del poder calorfico que se utilice, de

forma que se pueden presentar dos valores distintos de eficiencia para el

funcionamiento de una misma caldera dependiendo si se toma el PCS o el

PCI. Los PCI por ser ms bajos que los PCS dan eficiencias ms altas

dependiendo de la cantidad de hidrogeno que posea el combustible. Hugot

[1964] menciona que la eficiencia con respecto al poder calorfico superior

(PCS) puede variar entre el 50% y el 65%.

La razn por la cual la caldera no transfiere toda la energa disponible al vapor es

porque existen otros flujos de energa que existen en todas las calderas y que

mantienen los niveles de eficiencia por debajo del 100%. Estas prdidas de

eficiencia se deben a 5 factores [ICAITI, 1981]:

1. El calor arrastrado por los gases secos calientes en la

chimenea

Mientras ms alta es la temperatura de salida de los gases en la chimenea, ms

se considera que es la disminucin en la eficiencia. Para contrarrestar este

efecto negativo los gases luego de salir del hogar de la caldera se introducen al

precalentador y al economizador.

2. La energa que se utiliza para generar el vapor presente en

los gases calientes

El vapor resultante es producido por la combustin del hidrgeno quecontiene el combustible, la humedad del combustible y la humedad presente en el

aire alimentado. El valor ms predominante para el caso de la caldera

bagacera es la humedad que tiene el combustible.


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3. Combustible no quemado y productos de la combustinincompleta.

Estas prdidas son provocadas por las cantidades de combustible que son

arrastrados por los desechos de la combustin, ya sea en los gases de salida oen la limpieza de la parrilla del horno. En el caso de la combustin incompleta, las

prdidas son provocadas porque la energa liberada en la generacin de monxido

de carbono es menor a la que se obtiene en la generacin de dixido de carbono

4. Perdidas de calor por radiacin en la caldera.

Estas prdidas comprenden, el calor irradiado a la sala de calderas sino quetambin el calor que se pierde por conveccin hacia el aire ambiente que est en

contacto con las paredes de la caldera.

5. El calor perdido en la purgas de agua de la caldera.

En determinados momentos de tiempo o continuamente, se realiza una purga del

agua que se alimenta a la caldera por lo que la cantidad de calor que se debe

transferir para producir la misma cantidad de vapor es variable.

Para comprender ms acerca de la eficiencia, es necesario entender ms el

proceso de transferencia de energa hacia los tubos o los domos de agua,

a esto se le conoce comotransferencia de calor radiante y se definir a

continuacin.

Transferencia de Calor Radiante

El calor que absorbe el vapor (Qr) es el calor irradiado por los gases de

combustin en el hogar de la caldera. En el caso que no exista purgas de agua en

el domo de vapor, el calor radiante que se da en una caldera ser igual al calor

necesario para sobrecalentar el vapor.


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La ecuacin general para la transferencia de calor puede representarse en la

Ecuacin 2.7 [Kern, 1965]:

Donde, h es el coeficiente de transferencia de calor y A es el rea efectiva detransferencia.

Adems, es importante mencionar que la emisividad de la masa de gas en un

horno es una

funcin del producto de la presin parcial de las molculas radiantes y la

longitud de la trayectoria media de la profundidad de la capa de los gases.

Tambin, las emisividades de gases diatmicos como el O2y N2 son muy bajas en

comparacin con los dems gases de combustin; por lo que, ordinariamente se

considera que los nicos gases radiantes sern el H2O y el CO2 [Kern, 1965].

En base a lo anterior, se podra esperar que a mayores tamaos de calderas,

mayor sea la transferencia de calor radiante a una temperatura dada y que, a una

mayor cantidad de aire en exceso, la presin parcial de los gases radiantes


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disminuyan y por lo tanto tambin disminuya la cantidad de calor transferido.

Debido a que la aplicacin de estas ecuaciones a los problemas prcticos

de ingeniera puede ser muy complicada, deben incorporarse simplificaciones y

suposiciones para poder determinar el calor irradiado de forma menos

compleja. En Kern [1965] se presentan algunos mtodos comunes para el clculo

de absorcin de calor, de los cuales solamente se estudiar uno, que es el que se

utilizar ms adelante en la modelacin de la caldera.

Ecuacin de Orrok-Hudson

Esta es una ecuacin emprica para calcular la absorcin de calor en la seccinradiante de una caldera de tubos de agua. Aunque est diseada para calderas

alimentadas con carbn y petrleo, se decidi utilizar este mtodo debido a que es

el que mejor evala los cambios de alimentacin de combustible y tambin los

cambios en la proporcin aire-bagazo, siendo el combustible un compuesto slido.

La ecuacin de Orrok-Hudson es la siguiente:

Para esta ecuacin se puede determinar el valor especfico de la caldera (CR) consolo tener algunos valores de operacin y el rendimiento para esos datos.

Con esto ya se pueden establecer comparaciones con los rendimientos de

transferencia de calor radiante en la caldera.

polvillo de bagazo proveniente de una planta azucarera como combustible para calderas

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