Lección 5 Eficiencia energética en instalaciones de combustión Mariano Alarcón García Bloque temático II Eficiencia energética Master en Ingeniería Química.

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1 Lección 5 Eficiencia energética en instalaciones de combustión Mariano Alarcón García Bloque temático II Eficiencia energética Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química

2 Eficiencia energética en instalaciones de combustión2 Lección 5. Eficiencia energética en instalaciones de combustión 1. Introducción 2. Ajuste en generadores térmicos 3. Recuperación de la entalpía de gases de combustión 4. Tratamiento del agua de calderas 5. Recuperación de condensados en redes de vapor 6. Ajuste de purgas en generadores de vapor 7. Recuperación del calor de purgas en generadores de vapor 8. Sustitución de combustibles por gas natural

3 Eficiencia energética en instalaciones de combustión3 Bibliografía Ager Hortal, M. et al., El ahorro energético. Estudios de viabilidad económica. Ed. Díaz de Santos, Madrid, 2005. Bermúdez, Vicente et al., Tecnología Energética, Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, 2000. Gestión energética en la industria. Ministerio de Industria y Energía, Madrid, 1983 Manual de eficiencia energética en la industria. CADEM, Ente Vasco de la Energía, Bilbao, 1984.

4 Eficiencia energética en instalaciones de combustión4 5.1 Introducción A la vista del balance de energía en un generador térmico como horno, caldera, etc. se puede establecer los flujos potencialmente recuperables: entalpía sensible de los gases de exhaustación, entalpía sensible de los productos, en hornos, y entalpía latente y sensible de las purgas, en generadores de vapor El balance también puede reflejar pérdidas importantes de energía: inquemados calor cedido al entorno por convección y radiación. Además, los generadores térmicos se desajustan con cierta facilidad, perdiendo eficiencia.

5 Eficiencia energética en instalaciones de combustión5 5.2 Ajuste en generadores térmicos La prueba de rendimiento en generadores térmicos puede arrojar como resultado el ajuste de determinados parámetros, como el exceso de aire, la pulverización del combustible o la temperatura de exhaustación. Elevados excesos de aire ( depende del combustible) y/o temperatura de exhaustación conducen a elevadas pérdidas de entalpía sensible de humos. Debe hacerse un esfuerzo en ajustar estos parámetros sin que ello signifique el deterioro de otros, como las emisiones del generador.

6 Eficiencia energética en instalaciones de combustión6 5.2 Ajuste en generadores térmicos (2) El ahorro obtenido en un generador térmico al proceder al ajuste del exceso de aire,, y/o de la temperatura de exhaustación, T h, se deduce de la disminución en las pérdidas en humos: Si al hacer los ajustes oportunos se obtiene unos nuevos exceso de aire, ’, y/o de la temperatura de exhaustación, T h ’, a partir de las nuevas pérdidas totales, P h ’, se puede obtener las pérdidas porcentuales, p h ’, y la diferencia p h – p h ’ es la mejora de rendimiento del equipo:

7 Eficiencia energética en instalaciones de combustión7 5.3 Recuperación de la entalpía de gases de combustión Los gases de combustión en hornos, generadores de vapor, motores térmicos, etc. salen en muchas ocasiones a elevadas temperaturas, siendo susceptible la recuperación de parte de la entalpía contenida en los mismos. Los límites de recuperación están marcados por: Corrosión en conductos de exhaustación: la temperatura de exhaustación de humos depende en buena parte del contenido en azufre del combustible. En gases de combustión procedentes de combustibles con contenido en azufre > 0,5% no se debe bajar de 180-200ºC, por el peligro de formación de rocíos ácidos. Cuando el combustible carece de azufre (gas natural, glp, etc.) la temperatura de exhaustación puede ser del orden de los 100-120ºC. Tiro: para que los gases creen un tiro adecuado y tengan suficiente velocidad en los conductos, no es recomendable bajar de 105  120ºC.

8 Eficiencia energética en instalaciones de combustión8 5.3 Recuperación de la entalpía de gases de combustión (2) Cuando se plantea la posible recuperación de este flujo energético en primer lugar hay que ver si el generador está dotado o no de un economizador, para el precalentamiento del agua de alimentación (calderas), y/o de un precalentador del aire de admisión, frecuente este último en el caso de hornos. En cualquier caso, si la temperatura de exhaustación es superior, podría pensarse en su aprovechamiento mediante una caldera de recuperación, normalmente para la generación de vapor o agua caliente. La entalpía recuperable, por lo general sólo la sensible, es donde es el flujo de humos y es el calor específico medio entre la temperatura de salida de los humos, T h, y la temperatura mínima de exhaustación teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, T exh,min.

9 Eficiencia energética en instalaciones de combustión9 5.4Tratamiento del agua de calderas El tratamiento de agua en instalaciones que utilicen este fluido es de vital importancia, debiendo proporcionar la calidad adecuada. Efectos en la caldera del agua deficientemente tratada: Incrustaciones en superficies de calefacción Reducción de la producción de la caldera. Disminuye la refrigeración de los tubos. Aumento de consumo de energía. Existencia y desprendimiento de los gases disueltos Corrosión por oxigeno. Reducción del coeficiente de transmisión en la película pared/gas/agua. Reducción de la superficie efectiva de intercambio térmico Trastornos en la circulación Reducción de la presión temperatura del vapor Arrastre de sílice (en calderas que trabajan a alta presión). La sílice se deposita en los álabes de turbinas, con disminución de su rendimiento. El tratamiento de agua está relacionado también con el caudal de purgas: a menor contenido en sólidos del agua de aportación, menor caudal requerido para mantener la concentración que marca la norma.

10 Eficiencia energética en instalaciones de combustión10 5.5 Recuperación de condensados en redes de vapor Los condensados de los distintos equipos en los que se utiliza el vapor y de las propias líneas de vapor, extraídos por la red de purgadores, deben recuperarse ya que contienen, en general, una entalpía no despreciable y su no recuperación implica un mayor coste de tratamiento de agua de calderas. Las líneas de recuperación de condensados deben aislarse térmicamente, así como el depósito de condensados.

11 Eficiencia energética en instalaciones de combustión11 5.6Ajuste de purgas en generadores de vapor El tratamiento de agua está relacionado también con el caudal de purgas: a menor salinidad del agua de aportación, menor es el requerido para mantener la salinidad en la caldera que marca la norma. Debe tenerse en cuenta que un caudal de purgas inadecuado implica un deterioro de la caldera y red de conductos, cuando es escaso, o un gasto energético, si es excesivo. Por ello, debe comprobarse si el caudal de purgas es el adecuado; su valor teórico, m pur, es siendo mv el caudal de vapor generado, y Salim y Scal los sólidos disueltos del agua de alimentación y de la propia caldera (según norma), respectivamente. Cuando la purga se realiza por apertura temporizada de la válvula de purga, su ajuste se realiza variando la frecuencia y duración de la apertura de la válvula. Modernamente se comercializan equipos de purga automática al alcanzar la caldera una salinidad determinada, y que optimizan, por tanto, esta operación.

12 Eficiencia energética en instalaciones de combustión12 5.7 Recuperación del calor de purgas en generadores de vapor Las purgas tienen un contenido energético relativamente alto, ya que están a la presión y temperatura de generación de vapor, aunque en estado líquido. Una vez ajustado el caudal de purgas, debe estudiarse la recuperación parcial de la entalpía de purgas para obtención de vapor flash, desgasificación del agua de la caldera, otros usos en la planta.

13 Eficiencia energética en instalaciones de combustión13 5.7 Recuperación del calor de purgas en generadores de vapor (2) Entalpía utilizable del agua de purga siendo el caudal de purgas, h’ p.cal la entalpía del líquido saturado a la presión de la caldera y h alim la entalpía del agua de alimentación.

14 Eficiencia energética en instalaciones de combustión14 5.7 Recuperación del calor de purgas en generadores de vapor (3). Obtención de vapor de flash El agua de purgas puede utilizarse bien para aumentar la entalpía de un flujo térmico en un cambiador bien para la generación de vapor en un “tanque flash” por expansión isoentálpica desde la presión de la caldera, pcal, hasta una presión de descarga, pdes, inferior a la de aquélla (fig. 9.5). Si h’ A = h’ p.cal es la entalpía del líquido saturado a la presión de la caldera, h’ B y h” B las entalpías de líquido y vapor saturado a la presión de descarga, y x es el título de vapor del fluido en B donde x es el título de vapor del agua al sufrir la laminación, que indica la cantidad de agua que se vaporiza por unidad de masa de agua de purga. Expansión isoentálpica de agua de purga en tanque flash El caudal de vapor obtenido es

15 Eficiencia energética en instalaciones de combustión15 5.8 Sustitución de combustibles por gas natural El gas natural tiene muchas ventajas energéticas, operativas y medioambientales  opción recomendable: Evita gastos de almacenamiento, manipulación, transporte, etc. Evita pérdidas en tratamiento y pretratamiento, así como de utilización Permite mejorar la eficiencia de los equipos de combustión al reducir las pérdidas en los gases de combustión, por Menor temperatura de exhaustación Menor coeficiente de exceso de aire Menor contenido de inquemados Carece de S, sus inquemados son menores y es el combustible con menor producción de CO2 por energía liberada.

16 Eficiencia energética en instalaciones de combustión16 Ejemplo 1 La prueba de rendimiento de una caldera arroja los siguientes datos coeficiente de exceso de aire se reduce de 1,22 temperatura de los gases de escape, de 170 ºC pérdidas porcentuales por humos: 7,28 % Determinar la mejora porcentual de rendimiento que podría obtenerse si el coeficiente de exceso de aire se reduce a 1,1 y la temperatura de los gases de escape a 120ºC. Se sabe que la relación aire-combustible estequiométrica vale 10,01 m 3 Naire/m 3 Ncomb

17 Eficiencia energética en instalaciones de combustión17 Ejemplo 2 Una caldera de generación de vapor quema gas natural, cuya composición (% en volumen), P.C.I. y masa molecular son: CH4: 97,0 %; C2H6: 1,1 %; CO2 :0,6 %; N2 : 1,3%; PCI (kcal/m3N): 8460,9; masa molecular (kg/kmol): 16,48 La combustión es completa, y se realiza con coef. de exceso de aire 1,03. Los gases de combustión salen inicialmente a 180ºC, y se quiere estudiar la conveniencia de instalar un economizador que precaliente el agua de alimentación de la caldera a costa de disminuir la temperatura de los gases de escape hasta 120ºC. Como datos de funcionamiento de la caldera y propiedades de humos y agua se conoce: consumo de combustible: 330 m3N/hora caudal del agua de alimentación: 4280 kg/hora temperatura inicial del agua de alimentación: 85ºC presión del vapor generado: 6 bar (saturado seco) Se pide: caudal de humos generado rendimiento de la caldera por el método directo, utilizando una fórmula aproximada y por el método indirecto, despreciando pérdidas por inquemados y purgas y suponiendo que la caldera funciona a un 80% de su capacidad nominal temperatura del agua de alimentación después del economizador ahorro de combustible suponiendo que el rendimiento de la caldera no se altera con la inclusión del economizador