PRESENTADO POR: BRAVO BALDEON, RICARDO ALEJANDRO UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA PROGRAMA DE TITULACION PROFESIONAL INFORME DE SUFICIENCIA PROFESIONAL REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DE PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES DE AIRE PARA USO INDUSTRIAL PRESENTADO POR: BRAVO BALDEON, RICARDO ALEJANDRO Lima, 03 de Mayo del 2009

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I. INTRODUCCION El presente proyecto de reemplazo de combustibles derivados del petróleo por gas natural (GNS) en las calderas y secadores de la planta, consiste en remplazar la utilización de los combustibles Diesel Nº 2, Residual 500 y GLP por gas natural en las calderas pirotubulares, cocinadores a fuego directo y calentadores de aire para procesos de secado. El desarrollo, ejecución y puesta en marcha de este proyecto requiere una inversión de US$ 147,235.00 dólares americanos, lo cual nos llevará a obtener un ahorro anual ascendente al monto de US$233,872.44 dólares americanos por la disminución de gastos operativos en el consumo de combustibles, energía eléctrica, mantenimiento y protección del medio ambiente, determinando un retorno de la inversión en un periodo de ocho meses. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.1. ANTECEDENTES El gas natural es un combustible muy limpio comparado con los combustibles tradicionales lo que facilita el cumplimiento de exigentes normas ambientales. Una de las grandes ventajas del gas natural respecto a otros combustibles, es la baja emisión de contaminantes en su combustión. El gas natural está disponible en forma continua, no requiere tanques de almacenamiento disminuyendo los riesgos que ello implica y también los costos financieros. No requiere preparación previa a su utilización. Los equipos y quemadores de GN son fáciles de limpiar y conservar La combustión del gas natural puede finalizar instantáneamente tan pronto como cese la demanda de calor de los aparatos que lo utilizan, lo cual es muy adecuado para cargas variables e intermitentes, la regulación automática es sencilla y precisa. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.1. ANTECEDENTES I.1.1. Histórico Por años, la utilización de combustibles fósiles se ha convertido en una de las causas principales de la amenaza del cambio climático. El empleo de estos combustibles es responsable de las tres cuartas partes de las emisiones humanas de gases de efecto invernadero y cuya acumulación sigue incrementando su concentración en la atmósfera. Los patrones de utilización de combustibles fósiles ha llevando a nuestro planeta por un camino insostenible que amenaza el clima mundial. En nuestro país la utilización del gas natural como fuente energética estuvo postergada por razones políticas, bajo nivel de consumo y las dificultades técnico-económicas para su uso. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.1. ANTECEDENTES I.1.2. Actual En atención a las preocupaciones ambientales y al desarrollo sostenible y por razones de disponibilidad, precio, normas ambientales y seguridad, es necesario utilizar otras fuentes alternativas de combustibles para la generación de vapor y calor requeridos en los diferentes procesos industriales. Una de estas alternativas es la utilización del gas natural, cuyo uso industrial se adapta a las necesidades actuales, habiendo demostrado tener versatilidad de uso, bajo precio y bajo nivel de emisiones contaminantes al medio ambiente; lo cual aunado al avance tecnológico va a permitir aprovechar las ventajas que ofrece. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.1. ANTECEDENTES I.1.3. FUTURO El crecimiento sostenido de las empresas y el desarrollo sostenido del país depende de la creación eficiente de valor de sus empresas. Es esta creación de valor (producción con valor agregado) la que permitirá ser competitivos en calidad y precios en los ámbitos nacional e internacional. A fin de mantener su presencia en el mercado, nuestras empresas tienen que enfrentar el reto de hacerse competitivas, adoptando nuevas estrategias que les permita tener éxito ante a los desafíos de este nuevo escenario. Una estrategia tecnológica como la del cambio al gas natural como fuente energética, nos va a permitir tener una ventaja competitiva para enfrentar con éxito las nuevas exigencias del mercado,. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.2. Planteamiento del problema La situación actual de nuestra empresa se presenta como dependiente de los combustibles derivados del petróleo, lo cual nos ha restado competitividad por la volatilidad de los precios registrados en año 2008 y la incertidumbre que aún persiste en medio de esta crisis mundial y, por las exigencias normativas con respecto al cuidado del medio ambiente. El factor económico establecido por precios y costos define opciones reales, por lo cual resultará de gran importancia tener los conocimientos y criterios adecuados y convenientes para comparar combustibles en el marco de una evaluación técnico-económica objetiva y realista. La importancia del factor ecológico también otorga una ventaja al gas natural por su limpieza y facilidad de combustión. Con el GNS se obtendrá una tecnología de combustión limpia, con una mejor eficiencia de transferencia de calor y facilidad de regulación del régimen de llama en un rango amplio, reducción de costos de mantenimientos preventivos y correctivos, eliminación de los tanques de almacenamiento de combustibles derivados del petróleo, eliminación de trasegados y control de combustibles líquidos, disponibilidad de los espacios que ocupan estos activos, eliminación de costos de transporte, de mano de obra directa e indirecta para las operaciones de recepción, almacenamiento y gestión de inventarios. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.2. Planteamiento del problema En el ámbito tecnológico es preciso remarcar que el cambio tecnológico a esta fuente energética constituye una herramienta fundamental para mejorar el desempeño de los equipos de combustión. Además, este cambio tecnológico trae consigo las innovaciones organizacionales que apuntan al logro de calidad total, la mejora de la productividad y el desarrollo e implementación de estrategias competitivas que se transformarán en pasos de acción para la creación de ventajas competitivas sostenibles. Asimismo, el deseo de aprovechar los beneficios esta nueva tecnología a favor de la calidad y productividad, nace de la necesidad de mejorar la competitividad de la empresa ante el reto de la globalización; su aplicación en la creación y desarrollo de nuevos procesos y productos con mayor valor agregado hará que se maximicen: el valor de la empresa, la productividad y el retorno de la inversión, logrando de un posicionamiento sólido en el sector en que se desenvuelve. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.3. Objetivo Este proyecto tiene como objetivo reducir el costo de la utilización de energía para la generación de vapor y calor que utilizan los procesos productivos y la reducción de emisiones al medio ambiente . I.4. Limitaciones Se circunscribe a los criterios y normativas que se aplican para la selección de materiales, equipos y accesorios que se utilizan en una instalación industrial de gas natural. Se explica también el procedimiento y consideraciones a tomar en cuenta para el dimensionado y diseño de la red interna de gas natural y finalmente un cuadro comparativo económico de las ventajas del uso de gas natural. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES I.5. JUSTIFICACCION 1. Teórica Se efectuará el estudio y análisis de la situación actual, marco legal, tendencias de crecimiento, innovación tecnológica, y el desarrollo de la ingeniería del proyecto. 2. Metodológica Este proyecto se desarrollará de acuerdo al estándar presentado por la FIM . 3. Práctica. Según el objetivo del presente informe de suficiencia profesional, la ejecución del presente proyecto va a permitir encontrar soluciones concretas a problemas de competitividad, productividad y desempeño que afectan a nuestra empresa, permitiendo mejorar su situación actual en la que se encuentra. 4. Económica El uso del gas natural como combustible posee grandes ventajas económicas al compararse con otros combustibles utilizados en el sector industrial, debido a que su costo por unidad energética es menor que los demás combustibles; el reemplazo de combustibles derivados del petróleo por gas natural va a generar un beneficio económico importante en la facturación anual por consumo de combustible y permitirá recuperar la inversión por cambio de fuente energética en un corto periodo de tiempo. PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

MARCO TEORICO: GAS NATURAL El gas natural es un combustible fósil compuesto casi en su totalidad por metano (80 a 90 %) que es el hidrocarburo más simple formado por un átomo de carbono, por lo general hallado en depósitos subterráneos profundos. El gas natural se formó hace millones de años cuando las plantas y los pequeños animales de mar fueron enterrados por arena y roca. Las capas de barro, arena, rocas y plantas y materia animal se fueron acumulando hasta que la presión y el calor de la tierra los convirtieron en gas natural que genera calor cuando las moléculas de hidrocarburo se queman en el aire. - PESO MOLECULAR PROM. 16 X 0.9508 = 15.20 30 X 0.0500 = 1.50 16.70 - DENSIDAD RELATIVA 0.6500 - PODER CALORIFICO 9032 KCal /m3 N - CALOR ESPECIFICO P = CTE 8.97 CaL/Mol ºC - CALOR ESPECIFICO V = CTE 6.50 Cal/Mol ºC

MARCO TEORICO: GAS NATURAL Medición de volumen Las unidades de medición del volumen de un gas comúnmente más utilizadas son las siguientes: Metro cúbico estándar ( sm3 ) : Se mide el gas seco a una temperatura de 15 ºC y presión de 760 mm de columna de mercurio. Metro cúbico normal ( nm3 ) : Se mide el gas seco a una temperatura de 0 ºC y presión de 760 mm de columna de mercurio. Pie cúbico estándar ( SCF ) : Medido saturado con vapor de agua a 60 ºF y 30” de columna de mercurio de presión.

Composición del gas natural de Camisea METANO CH4 88.166 % GAS ETANO C2H6 10.28 4 PROPANO C3H8 0.535 GAS LICUABLE BUTANO C4H10 0.025 HEXANO C6H14 0.01% LIQUIDO NITROGENO N2 0.725 DIOXIDO DE CARBONO CO2 0.262 Fuente: Ministerio de energía y minas

PODER CALORIFICO SUPERIOR. VENTAJAS. COMODIDAD : Suministro continuo en la cantidad y oportunidad necesaria y suficiente. LIMPIEZA : Menos contaminante que los combustibles sólidos y líquidos. No hay inquemados y genera menos CO2. SEGURIDAD : Se disipa fácilmente a la atmósfera. ECONOMÍA : Precio mucho menor por millón de BTU. Gas Natural 9300 KCal/Nm³. Gas Propano 22400 KCal /Nm³. Diesel Nro.2 10700 KCal /Lt. Fuel-oil (70/30) 10400 KCal/Kg. PODER CALORIFICO SUPERIOR. 1.1183 Nm3 de GNS 10400 KCal/Kg. Residual 500 0.9418 Nm3 de GNS 8759 KCal/Kg. D – 2 22400 KCal/Nm3 GLP 1.000 Nm3 de GNS 9300 KCal/Nm3 GNS 2.4086 Nm3 de GNS

DISTRIBUCION DEL GAS NATURAL

Red de distribución de Gas natural en Lima La red de distribución de gas natural en la ciudad de Lima está agrupada en los siguientes clúster

Red de distribución de Gas natural en Lima

TEORIA INORGANICA DE LA COMBUSTION Todos los combustibles industriales son combinaciones carbono / hidrógeno. Todos los combustibles se disocian en carbono / hidrógeno antes de reaccionar. Siendo la combustión del hidrógeno instantánea, la partícula de carbón constituye el verdadero núcleo de la combustión industrial. La naturaleza y el tamaño de las partículas de carbón  y la disponibilidad de oxígeno en el medio definen las condiciones y posibilidades de desarrollo de la combustión. El manejo de la combustión constituye fundamentalmente un problema de mecánica de fluidos.

TIPOS DE COMBUSTION En función de sus productos Combustión completa (con exceso de aire) Combustión perfecta (estequiométrica) Combustión incompleta (con defecto de aire) Combustión imperfecta (combustión industrial)

COMBUSTION

REACCIONES DE COMBUSTION Las reacciones de combustión son: C + O2 = CO2 + Calor (28,09 kWh/kgCO2) 2 H2 + O2 = 2 H2O + Calor (39,47 kWh/kgH2) En la práctica los combustibles pueden definirse de la forma CxHy, dando lugar a las siguientes reacciones: CxHy + n O2 = x CO2 + (y/2) H2O + Calor

REEMPLAZO DE COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO POR GAS NATURAL EN CALDERAS Y SECADORES PRESENTADO POR RICARDO BRAVO

EFECTO INVERNADERO

MARCO LEGAL PARA EL GAS NATURAL

ESTACION DE REGULACION Y MEDICION

ESQUEMA DE UNA ESTACION DE REGULACION Y MEDICION

ESTACIÓN DE REGULACIÓN DE PRESIÓN Y MEDICIÓN PRIMARIA. Velocidad máxima de Gas Natural: Toda tubería será dimensionada para una máxima velocidad de gas a 25m/seg. para el máximo flujo a la mínima presión de ingreso. En el filtro se tendrá una velocidad máxima permisible de 0.3 m/seg. (Zona de alta presión). Son admitidas las excepciones siguientes: Reguladores, válvulas slam, shut off valve y medidores de acuerdo al fabricante. By pass del medidor, máximo 50 m/seg. 2. Máximo nivel de ruido: El ruido permisible para el máximo flujo esta limitado a 60 dB (A) a 1 m.

3. Normas Técnicas. La estación será construida en concordancia con la Normas Técnicas siguientes: EN 1776 Natural gas meassurements stations. EN 12186 Gas pressure regulation stations for transmission and distribution. EN 12261 Gas turbine meters. EN 12480 Gas rotary displacement meters. EN 12405 Conversion device used in association with gas meters. EN 12068 External organic coatings for the corrosion protection of baried or inmersed steel pipelines used in conjuction with catodic protection. API 5L Specification for line pipe. DIN 931 Hexagono head bolts. S-GERG-88 Compressibility calculation. EN 287.1 Approval testing of welders fusion Weldina. EN 1418 Approval testing of welding personnel. API 1104 Welding standard. EN API 1104 Welding Standard. EN 25817 are welded points in steel guidance on quality levels for imperfections. EN 1272 Welding of steel pipe work.

Red de Tuberías Dimensionamiento de las tuberías: Las tuberías están dimensionadas para conducir el caudal requerido por los equipos de combustión en su máxima demanda. El diseño de la red de tubería comprende su ubicación en la planimetría de la planta desde la acometida, ERM, tubería principal y ramales. (Escala 1:100). Así mismo es necesario el dibujo isométrico acotado incluyendo las especificaciones de la tubería, conexiones, válvulas, accesorios e instrumentos indicadores y de control automático en concordancia a las máximas presiones a que serán sometidas y los dibujos constructivos de las obras civiles y metalmecánica. La máxima cantidad de gas natural seco requerido por los equipos de combustión funcionando todos a la vez es de 680 m3/HR La caída de presión permitida entre el punto de suministro y los equipos de combustión es de 50% de la presión regulada al comienzo de cada tramo analizado. La velocidad permisible de gas es menor a 30 m/seg. Se tendrá en consideración en el trazado de la ruta de tubería las distancias de seguridad indicadas en la norma NPT 111.010.

Para el dimensionado de las tuberías se utilizan las formulas siguientes: Formula de Renouard simplificada para presiones en el rango de: 0 - 400 KPa ó 0 - 4 Bar Es válida para Q/D < 150 Donde: PA– PB :Presiones absolutas en ambos extremos del tramo de tubería, en Kg/cm². S : Densidad relativa del gas. (0.6500). L : Longitud del tramo en Km. Incluyendo la longitud equivalente de los accesorios que la componen según Tabla. Q : Caudal en m³/h a condiciones normales. D : Diámetro en mm.

Para el cálculo de velocidad de circulación del fluido se utiliza la formula siguiente: v = 365.35Q/D².P Donde: Q = Caudal en m³/hr a condiciones normales P = Presión de cálculo en kg/cm² absoluta. D = Diámetro interior de la tubería en mm. v = Velocidad lineales m/seg.

COSTO DEL PROYECTO

AHORRO POR CAMBIO DE COMBUSTIBLE

DATOS DEL PROYECTO PARA EVALUACION ECONOMICA

EVALUACION ECONOMICA

EVALUACION ECONOMICA

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Con el GNS se obtendrá una tecnología de combustión limpia, con una mejor eficiencia de transferencia de calor y facilidad de regulación del régimen de llama en un rango amplio, reducción de costos de mantenimientos preventivos y correctivos, eliminación de los tanques de almacenamiento de combustibles derivados del petróleo, eliminación de trasegados y control de combustibles líquidos, disponibilidad de los espacios que ocupan estos activos, eliminación de costos de transporte, de mano de obra directa e indirecta para las operaciones de recepción, almacenamiento y gestión de inventarios.  El VAN positivo al noveno mes de la puesta en funcionamiento de los equipos de combustión con gas natural nos indica que la inversión en el proyecto produce beneficios superiores a los que podrían obtenerse invirtiendo la misma cantidad a la tasa de referencia. Su valor absoluto positivo es el incremento patrimonial actualizado que experimenta la empresa al realizar el proyecto, por lo que cuanto más alto sea, mejor será el proyecto que se pretende realizar.

DOCUMENTACIÓN DE SUSTENTO PARA EL PROYECTO Plano de ubicación del Predio. Planos generales de la Instalación en formato A-1 Planos mecánicos de la Estación de Regulación y Medición Primaria. Elevación y Planta en formato A-1 ó A–2. Plano de implementación – Plot Plan indicando distancias de seguridad. Para cada punto de consumo Plano P & ID incluyendo el detalle del tren de válvulas de regulación y seguridad protección del equipo. Diseño del sistema de control de la velocidad de corrosión: Recubrimientos epóxicos y uretanos (pinturas). Protección catódica. Procedimiento de soldadura y especificaciones de las juntas soldadas. Certificación de homologación de soldadores y/o fusionistas dependiendo del material de la red: acero, polietileno y cobre. Consideraciones de diseño y selección de materiales y equipos.

DOCUMENTOS Y PLANOS A REMITIR A LA CERTIFICADORA Certificados de cumplimiento de las normativas de los materiales y equipos. Requisitos de Inspección visual de las juntas soldadas y END de ser necesario. Certificados de pruebas de resistencia y hermeticidad de la red principal y ramales. Planos isométricos conforme a obra. Registro de comisionado de equipos. Registro de los equipos usados en soldadura de polietileno.

ANALISIS DE RIESGOS Y CONTINGENCIAS. Análisis de riesgos de las instalaciones de Gas Natural. Procedimiento de operación adecuados al uso del Gas Natural. Elaboración del Plan de contingencias. Programa de Mantenimiento preventivo de las Instalaciones de Gas Natural. Copia de los Planos conforme a obra de las instalaciones internas incluyendo Lay-Out y Plot-Plan de la Estación de Regulación y Medición Primaria.

CALDERA A GAS NATURAL PRESENTADO POR RICARDO BRAVO