A continuación se evaluará la cantidad y las características energéticas de los desechos combustibles generados al interior de la planta.
- Volumen disponible
- Volumen mensual generado en planta
1.560 (m3) de corteza fresca y de cancha regadío, correspondiente al 7% del volumen de rollizos.
780 (m3) de pinchip correspondiente al 3% del volumen de rollizos sólidos sin corteza.
70 toneladas de pasta seca correspondiente al 1,8% de la materia prima utilizada.
En total se genera sobre 2.300 (m3/mes) de desechos de subproductos de madera. Se estima un incremento lineal del volumen, al aumentarse en el futuro la capacidad de la planta. Los incrementos esperados se basan en el aumento de la velocidad de la máquina papelera de 550 a 800 (m/min).
La gran dificultad de aprovechar energéticamente estos desechos de madera o fibra es su alto contenido de humedad.
Durante los meses de mayo y junio del 2003 se tomaron 16 muestras para análisis de humedad a temperatura de 105 °C de corteza, pinchip y lodo prensado. Los resultados se representan en el siguiente gráfico, en el cual se indica el contenido de humedad en base seca. Por ejemplo una humedad del 150% base seca (B.S.) significa que por cada kilogramo de madera seca posee 1,5 (Kg.) de agua. En base humedad equivale este ejemplo a 60% de agua base húmeda (B.H.).
Grafico 1 Comparación de humedad
Se observan valores extremadamente altos de contenido de agua.
Los contenidos de humedad son extremadamente altos con valores que van de 200 a 350% B.S. (67 a 78% B.H.). Esto implica que los desechos posee varias veces más agua que madera seca. Es imposible de quemar este desecho sin apoyo de un combustible auxiliar por poseer éste un poder calorífico menor a 1.000 (kcal/Kg).
Foto 1 Pila de corteza
- Corteza
Posee contenidos de humedad sobre 150% B.S. o 60% B.H. En verano debería disminuir a valores de 120 a 130%. Es posible de quemar en caldera, pero su volumen es insignificante.
Foto 2 Pila de pin chip
- Pinchip
- Pasta
Su contenido de humedad también es extremadamente elevado con una consistencia de 11 a 18%. Imposible de quemar sin apoyo de otro combustible.
Foto 3 Pila de pasta
- HUMEDAD Y CONTENIDO ENERGÉTICO
Para determinar las características de los desechos se toman muestras y con un ensayo de carbones se obtienen los valores adjuntos en Tabla 1.
Propiedades
Corteza
Pin Chip
Pasta
Poder Calorífico Superior kcal/kg C.R.
1327
1740
790
Poder calorífico Superior (kcal/kg) B.S.
4976
4812
5107
Poder calorífico Inferior Kcal/kg C.R.
935
1374
403
Densidad kg/m3
330
130
(*)
Humedad % B.H.
73.33
63.84
84.53
Tabla 1 Características de los desechos
C.R.: Condiciones en que se entregó muestra
B.S.: Base seca
(*) No se considero. El valor aproximado, de acuerdo a informes, es de 700 (kg/m3)
Estos valores corresponden a los desechos generados por F.P.C., los cuales por su alto porcentaje de humedad no es posible de quemar. Requiere del apoyo de otro combustible.
Puesto que en volumen no se genera lo suficiente para satisfacer el consumo real de la caldera, es necesario compensar la falta de combustible mezclándolo con viruta. De esta forma se baja la humedad, pero por ser de mayor precio que el aserrín solo se usará un 30% de viruta y el resto será aserrín. Las características del aserrín se muestran en la Tabla 2.
Propiedades
Viruta
Aserrín
Poder Calorífico Superior (kcal/kg) B.S.
4800
4800
Poder Calorífico Inferior (Kcal/Kg.) C.R.
3900
1920
Densidad (kg/m3)
200
330
Humedad % B.H.
20
57
Tabla 2 Características aserrín – viruta
- CARACTERIZACIÓN DE LOS DESECHOS
- COMBUSTIÓN CON DESECHOS SÓLIDOS
Unas de las soluciones más usadas en la industria forestal al problema de generación de residuos sólidos, es el aprovechamiento de estos, como medio para la generación de vapor.
En general, para la combustión de los desechos de la industria forestal se debe analizar cada caso en particular, debido principalmente a la variabilidad que presentan las características de los sólidos a quemar. Se debe evaluar entonces las cantidades producidas, la humedad de los sólidos y las tecnologías disponibles para combustión de los desechos.
El circuito de combustión comienza con la preparación del combustible en cancha. El transporte del combustible se realiza por medio de barredores accionados hidráulicamente, programados según las necesidades de la caldera.
Figura 6 Vista en planta de barredores
El combustible es arrastrado desde los barredores hidráulicos, hacia la cadena transportadora la que lleva al combustible en dirección a las bocas de alimentación.
Al entrar el combustible se debe dosificar en el punto de entrada al hogar mediante válvulas dosificadoras (esto es para evitar excesos de combustible al caer en el hogar, ya que esto puede producir acumulación de combustible sin quemar).
En el hogar se produce la combustión con ayuda de un exceso de aire en un 60% suministrado por un ventilador de tiro forzado, al mismo tiempo funciona un ventilador de tiro inducido, el que extrae los gases hacia el exterior por la chimenea.
Foto 4Carga de combustible
Foto 5 Zona de barredores
El transporte a través de los diversos equipos es la parte de más detalle para esta caldera ya que de esto depende la buena dosificación del combustible. El exceso de aire es controlado para que la extracción de los gases de combustión sea eficiente. Este recorrido que hace la mezcla comienza por el sistema hidráulico que da el movimiento lineal a los barredores, al barrer cae a la cadena transportadora movida por un motor y reductor de velocidad. Al llegar a las bocas de alimentación hay que dosificar el combustible por medio de válvulas rotatorias. La caída del combustible es de ignición casi instantánea por el exceso de aire. Puesto que los gases tienen un recorrido por los tubos en la segunda pasada, las pérdidas de carga le impiden llegar con facilidad a la chimenea. Esto se facilita con la ayuda de un ventilador de tiro inducido.
Como las calderas son para la generación vapor, el agua debe pasar del estado líquido al de vapor saturado. Para que el vapor tenga alta temperatura hay que subir su presión por sobre la atmosférica. Está presión constante que se genera en las líneas se consigue con el aporte de caudal de dos bombas multi etapas para alcanzar la presión de 14 (Kg/cm2) . Estas bombas trabajan por lapsos de tiempo, quedando siempre una en stand-by, hay que recordar que por razones de seguridad la caldera no puede trabajar bajo un nivel mínimo de agua.
Este tipo de transportador se acciona mediante un motor, para reducir velocidad, con un reductor que acciona una cadena de transmisión de potencia, produciendo el arrastre de las cadenas, perpendicularmente se ubican maderas de sección cuadrada 0,1 (m), el espaciado de la madera es de 0,5 (m) de distancia. A través de este movimiento arrastra el combustible hacia las bocas de alimentación, a una velocidad de 30,48 (m/min). Posee un tramo horizontal de 10 metros y otro de 15 metros en pendiente de 45°. La capacidad del transportador es de 3,7 (Ton/hr) de combustible. Las características del reductor y motor, son las siguientes:
Transportador
62-E-03-M
Atributos Motor
Marca
Sew
Clase
Trifásico
Potencia
7,5
(Kw.)
Velocidad
1450
(r.p.m)
Foto 6 Transportador zona de recepción barredores
Figura 7 Transportador de Cadena
- Transportador de cadena
Las válvulas cumplen la función de dosificar el combustible, por medio de un rotor con paletas. Descarga directamente en el hogar. Las características de las válvulas son las siguientes:
Válvula
62-E-06-M
62-E-07-M
Atributos Motor
Marca
Siemens
Clase
Trifásico
Potencia
1,5
(kw)
Velocidad
925
(r.p.m.)
Foto 7 Válvula dosificadora
- Válvulas Dosificadoras
Su función es inyectar un flujo de aire constante al hogar. De esta forma se produce el exceso de aire necesario para asegurar la combustión. El flujo de aire es regulado por medio de un damper ubicado en la succión y es precalentado por medio de un intercambiador vapor-aire a temperaturas cercanas a los 100 °C.
La finalidad de aumentar la temperatura del aire es para incrementar el rendimiento de la combustión y por consiguiente el rendimiento de la caldera. Un exceso de aire incontrolado produce mala combustión e inestabilidad en la operación de la caldera; además de que baja la temperatura del hogar y puede generar aumentos de presión en la caldera.
Las características del ventilador de tiro forzado son las siguientes:
VTF Tetlak
62-E-01
Atributos Motor
Marca
Sew
Clase
Trifásico
Potencia
18,6
(Kw)
Velocidad
1.450
(r.p.m.)
Foto 8 V.T.F.
- Ventilador Tiro Forzado (VTF)
El ventilador de tiro inducido está diseñado para la extracción de los gases de la combustión. Está equipado con motor trifásico. Los gases antes de salir a la atmósfera a través de la chimenea, primero hacen un recorrido por los tubos de agua y luego por el cuerpo piro tubular. El volumen de gas extraído es de 55.000 (m3/hr) a una temperatura de 280 °C. Estos gases no son aprovechados en intercambiadores de calor y se envían directamente a la atmósfera.
Por el diseño de fabricación este tipo de ventiladores tiene las siguientes características:
VTI
62-E-02
Marca Motor
ABB Motors
Clase
Trifásico
Potencia
75
(Kw.)
Velocidad
1.480
(r.p.m.)
Caudal
55.000
(m3/hr)
Densidad Gases
0,59
(Kg/m3)
Temperatura
290
(°C)
Foto 9 V.T.I
- Ventilador Tiro Inducido (VTI)
- Bombas
Las bombas se encargan de mantener un caudal constante de agua de alimentación a la caldera a una presión de 14 (Kg./cm2). El sistema de agua de alimentación opera con dos bombas, con una en stand-by. Las características de las bombas son las siguientes:
Bomba
Marca
Sew
Clase
Trifásico
Potencia
22
(Kw)
Velocidad
2.960
(r.p.m.)
Bomba
Multi etapa
- EQUIPOS DE TRANSPORTE
El combustible utilizado es una mezcla de los residuos de pasta y pin chip. La corteza habitualmente no se utiliza debido al diseño de parrillas fijas existente. No es conveniente quemar la corteza ya que su estructura y naturaleza produce más ceniza en comparación con el aserrín.
Actualmente, el requerimiento de combustible es de 3,7 (Ton/hr) y la composición de la mezcla se muestra a continuación:
Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar trabajo" del menú superior
Tabla 3 Composición mezcla
Para las condiciones actuales de la caldera, el poder calorífico mínimo requerido es de 1700 (kcal/Kg.). Este valor mínimo no es alcanzable dados los altos valores de humedad. Para asegurar la producción de vapor el combustible debe tener una humedad inferior al 57%. De esta forma se consiguen temperaturas en el hogar de la caldera del orden de 850 ºC.
- COMBUSTIBLE EN CALDERA D.H.M
- MEZCLA ACTUAL
- CIRCUITO DE COMBUSTIÓN
La mezcla se toma como referencia en cantidades iguales medidas con la pala de un cargador frontal. La pala sirve como medida, luego la mezcla se hace en la cancha de acopio y es dejada en el sector de las rastras que cargan la cadena transportadora a la caldera.
La mezcla se prepara según la siguiente dosificación:
- 1 pala de Pasta + 2 palas de viruta = 1ra Mezcla
- 1 palas 1ra Mezcla + 1 palas de aserrín = Mezcla final
- Calidad de mezcla en un 50% humedad B.H.
Manteniendo esta mezcla, se observó que la caldera operaba con un exceso de aire variable entre 70 y 150%. Para estos niveles de humedad se produce vapor pero la producción de vapor baja de 14 a 11 (Ton/hr). En la Tabla 4 está resumida las humedades y los efectos que produce las lluvias durante los meses de invierno.
Para estas condiciones se calcula un flujo de gases aproximados de 55.000 (m3/hr) reales con una densidad de 0.59 (Kg/m3)
De acuerdo a los estudios realizados durante el invierno de 2003, la humedad se incrementa hasta 56 a 58% humedad B.H.. Considerando una humedad de la viruta de 20% y la mezcla actual (17% de residuos + 33% viruta + 50% aserrín) se obtienen resultados de 55% de humedad.
Si las estadísticas muestran que durante el invierno desde mayo a agosto, hay 60 días de lluvia, este período produce un aumento de humedad del combustible mezclado entre 55 y 57%. En casos extremos de 4 días de lluvia, equivalentes a 15 milímetros de agua caída, la humedad llegaría a 60% en la mezcla.
El efecto de la humedad del combustible en la mezcla es gravitante. Con una humedad mayor a 57% la temperatura de combustión es menor a 850 °C y hace imposible la generación de vapor (se apaga). Sin embargo, el balance energético indica que se puede generar siete toneladas hora pero con esta temperatura la tasa de quemado se reduce drásticamente y la combustión colapsa.
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Tabla 4 Tipo de mezcla
Foto 10 Sector de carga
- PROBLEMAS DETECTADO EN EL CIRCUITO DE COMBUSTIÓN
Los problemas existentes en el circuito de combustión son los generados principalmente por la alta humedad que posee el combustible.
Por experiencia, al secar el combustible para las industrias papeleras es rentable ya que no produce desecho secos, si se compara con aserraderos que si producen virutas de poco contenido de humedad (15% de humedad en B.H.), para ellos no es rentable el secado del combustible, solo bastará con hacer una buena mezcla de combustible para el quemado en caldera. Para F.P.C la adquisición de estos combustible desde proveedores externos a la empresa en el cual hay un costo económico de por medio, si se elimina la compra de viruta y solo se compra aserrín, como combustible no cumplirá su función, por su humedad.
La alternativa que se puede implementar es una inversión en secado de combustible o al exceso de aire hay que subir su temperatura. El presente estudio permite determinar como mejorar la combustión de la caldera para tener una mayor producción de vapor. Se mencionó que con los valores de humedad se produce vapor que no sobrepasa los 11,5 (Ton/hr) de vapor, si la caldera está diseñada para producir 14 (Ton/hr), resulta interesante quemar combustibles derivados de la madera con bajos porcentajes de humedad. De esta forma se mejora la combustión.
- Orear en cancha
Se contempla realizar un eficiente manejo en cancha para orear la corteza durante varias semanas. Se requerirá distribuir el combustible saturado en una gran cancha no cubierta y revolverlo constantemente para acelerar el proceso de secado. Esta alternativa tiene la desventaja de los altos costos de las maquinarias requeridas para efectuar estas maniobras. Además se deberá contar con canchas de manejo de hormigón de mínimo 30 x 50 (m2) para evitar la contaminación del combustible con arena. Al no estar cubierta esta cancha durante el período de lluvia se logrará un efecto contrario, aumentando aún más el contenido de humedad. No se posee hasta la fecha suficientes antecedentes para evaluar el tiempo que se requiere para reducir el alto contenido de humedad en la corteza completamente saturada en agua.
- Secado de combustible en pre secadores
- ALTERNATIVA DE MEJORAS DEL COMBUSTIBLE
Otra alternativa que se presenta para el secado del combustible, es por medio de secadores rotativos y de esta forma aprovechar los gases de la combustión a alta temperatura. De esta forma se logra un secado más rápido y se evita la compra innecesaria de viruta.
Otra ventaja que poseen estos secadores rotativos es la mezcla uniforme, la rotación del cilindro permite cargar en la entrada los residuos junto con el aserrín descargando la mezcla uniforme. Los ensayos hechos por fabricantes de secadores, muestran que para una humedad de entrada de 70% en base húmeda, en la salida del secador se consiguen humedades en torno del 10% (B.H.).
Las recomendaciones por experiencia de ensayos y pruebas en caldera demuestran que un 10% de humedad no es recomendable ya que el aserrín se torna explosivo. La temperatura de inflamación es muy baja en el caso de madera seca y la combustión sería casi instantánea por la alta temperatura (850 °C y 1050 °C). En el hogar, la humedad ideal debe estar entre 25% y 40% de humedad en B.H. con un exceso de aire de 120%.
Foto 11 Secador rotatubos
De acuerdo a los secadores Rotativos la empresa Conmetal Ltda. Ubicada en Monseñor Alarcón 444 Talcahuano, posee la fabricación en Chile de secadores rotatubos reacondicionados y nuevos construidos en acero inoxidable. El costo estimado es de U$ 120.000. Este secador funciona a través de tubos en su interior con circulación con vapor o gases calientes. La particularidad de estos diseños es la fácil mantención de los tubos en el interior.
Las ventajas de este tipo de secador están en la uniformidad de la mezcla y el rápido secado, el tiempo de pasada en ensayo es de 20 minutos; la desventaja es el área de trabajo que requiere de grandes dimensiones por tratarse de un equipo de 18 metros de largo, con un diámetro de 2.8 metros. El consumo de energía de los motores, es de 55 (Kw.) para el de accionamiento del cilindro. El ventilador de tiro inducido en la salida del secador tiene un motor de 18 (Kw.) de potencia.
La energía de los gases que expulsa el V.T.I. de caldera tiene propiedades de temperatura y caudal ideales para el secado de la madera. Aunque los gases tienen un poder calorífico bajo, se considera suficiente para ocuparlos en esta aplicación. Los gases de combustión por ley física muestran que para evaporar 1 litro de agua se necesita 560 (Kcal/hr), a esta cantidad hay que agregar las pérdidas que por experiencia llega a los 1000 (Kcal/hr) por litro de agua. Entonces si hay que evaporar desde 60% de humedad hasta llegar a 25% de humedad, se resta la inicial menos la final por la densidad de la mezcla que está en 350 (kg/m3). El valor resultante se divide por 100 y se obtiene:
60-25 = 35
35 x 350 = 12250
12250 / 100 = 122.5
Este valor es de 122.5 litros de agua por cada (m3) de mezcla y si a cada litro de agua a evaporar hay que aportar 1000 (kcal/hr) entonces se necesita un aporte de
1000 x 122.5 = 122.500 (Kcal/hr )
Si la caldera consume 3.7 (Ton/hr) de combustible y su humedad es de un 40% en B.H., en el caso más desfavorable 2.700 (kcal/kg) aportarán el siguiente calor para la transformación de agua a vapor:
2.700 x 3.700 = 9.990.000 (Kcal/hr)
Si se considera que en el hogar de la caldera la temperatura es de 850 y 1050 °C y a la salida de la chimenea se miden 280 y 300 °C, se encuentra que la temperatura cae en un 70% aproximadamente. El poder calórico que se pierde estará en una igualdad de 70%, por lo tanto, se dispone del 30% del poder calórico en los gases de combustión que es cercano a los 2.997.000 (Kcal/hr). Si se necesita solo 122.500 (Kcal/hr) para bajar la humedad del combustible en el secador, los gases aún tendrán suficiente energía para ser expulsados a la atmósfera a la salida de la chimenea.
Se debe contemplar el aislamiento con lana mineral en espesor de 50 milímetros y la protección con plancha de aluminio de 0.5 milímetros en los ductos que transporten los gases hacia el secador. De esta forma se aseguran pérdidas mínimas en el circuito. Para el transporte de los gases al secador hay que considerar un recorrido de 72 (m) desde la salida del V.T.I.
Las características principales que ofrece el mercado para los secadores considera la construcción de estos equipos en materiales inoxidables, por su alta duración.
Para el proyecto se considera un equipo reacondicionado de 20 años de vida útil. El siguiente cuadro muestra las características de un secador Rota Tubos reacondicionado, construido por Conmetal:
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Figura 8 Vistas secador
La densidad de los gases a la temperatura de 280 ºC es de 0,59 (Kg./m3) y el flujo de 55.000 (m3/hr). Luego, el flujo másico de gases disponibles es de 55.000 (m3/hr) x 0.59 (Kg./m3) = 32.450 (Kg/hr).
Si el flujo de gases que necesita el pre secador es de 2.500 (Kg./hr), se demuestra que existe caudal suficiente para satisfacer los requerimientos a la entrada del secador.
La siguiente figura muestra el lugar físico a instalar el presecador de combustible.
Figura 9 Caldera con presecador
Si se considera que la humedad inicial del combustible, sin secador es de 60% y con secador es de 35% para alimentar a la caldera, se puede determinar el calor útil en ambas condiciones.
El calor útil del combustible se puede expresar de la siguiente forma. Si los excesos de aire recomendados para combustionar aserrín es entre un exceso de 35 y 40%, para efecto de calculo se usa 40% el análisis elemental de carbones es:
Carbono (C) = 50 %
Oxigeno (O2) = 44 %
Hidrógeno (H2) = 6 %
Combustible Base de 100 Kg. base seca
Temperatura de entrada es de 100 °C
Temperatura de salida 280 °C
Temperatura estándar 25 °C
Análisis químico a 60 % de humedad en B.H.
Exceso de aire 40%
Q útil = PCS – H2O – G – CO ± R (kcal/kg combustible.)
Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar trabajo" del menú superior
4,17C + 1,38O2 + 3,00H2 + 3,33H2O + a (O2 + 3,76N2) = XCO2 + YN2 + ZH2O
- Análisis Ideal
C]
4,2
=
X
=
4,17
H]
6+
6,7
=
Z2
Z
=
6,33
O]
2,8+
3,3+
a2
=
X8,3+
Z6,3
a
=
4,29
N]
a3,8
=
Y
Y
=
16,14
4,2C + 1,4O2 + 3,0H2 + 3,3H2O + 4,3O2 + 16,1N2 = 4,2CO2 +16,1N2 + 6,3H2O
El caso de formación de monóxido de carbono CO se desprecia por el bajo contenido ya que tiende a cero y no causará mayor problema esto es por el exceso de aire, hay que tener en cuenta que en una combustión se forma CO.
El análisis químico real es como se detalla si el exceso de aire es de un recomendado para madera es de 35 a 40 %.
Exceso aire = 100% + 40 %
Exceso aire = 140% + aire de combustión (a)
Exceso aire = 1,4 x 4,29
Exceso aire = 6,01
4,2C + 1,4O2 + 3H2 + 3,33H2O + 6,01O2 + 22,6N2 = XCO2 + YN2 + ZH2O + VO2
C]
4,17
=
X
X
=
4,17
H]
6+
6,67
=
Z 2
Z
=
6,33
O]
2,75+
3,33+
12,02
=
2+
Z+V
Y
=
22,59
N]
22,59
=
Y
V
=
3,43
4,2C+1,38O2+3H2+3,3H2O+6O2+22,6N2= 4,2CO2+22,6N2+6,3H2O+3.4O2
La base seca es de 100% con humedad 160%
PCS en Base Seca = 4500 (Kcal/kg.) Seco
4500
Kcal.
X
100
Kg. combustible seco
Kg. combustible seco
60
Kg. combustible húmedo
PCS en base Húmeda = 2812,5 (kcal/Kg.) Húmedo
- Análisis Real
H2O = mH2O x hfg
hfg f (PH2O) = Patm (nagua / ntotal)
n = numero de Kmoles
P = Presión del agua
P = Presión atmosférica 1,033 (Kg./cm2)
hfg f (PH2O)
=
1,033 x
(6,33)
(36,52)
hfg f (PH2O) = 0,179 (Kg./cm2)
hfg = Ver valor en tabla Anexos 1 Tabla de vapor saturado a presión 0,179 (Kg./cm2) con un valor de 564.4 (kcal/kg.).
H2O
=
(114)
x 564,4
(160)
H2O = 402,1 (kcal/kg.) Húmedo
- Perdida de la vaporización del agua (H2O), depende de la presion
R = R combustible + R aire
R combustible Por ser combustible sólido es cero
Entalpía Molar N2 a Temperatura estándar de 25 °C (ver Anexo 2)
175 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar N2 a Temperatura entrada de 100 °C (ver Anexo 2)
700 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar O2 a Temperatura estándar de 25 °C (ver Anexo 2)
170 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar O2 a Temperatura entrada de 100 °C (ver Anexo 2)
710 (Kcal/kmol)
R aire = n O2 (h1 – h std) + n N2 (h1 – h std) / n x PM combustible húmedo
6,01 x (710 –170) + (22,5 x (700 – 175)
160
R aire = 94.4 (kcal/kg combustible Húmedo)
- Energía de los ReactivosR
- Energía de perdida por la salida a alta temperatura de los gasesG
G = masa gases x C pg x (T salida –T std) / n x PM combustible húmedo
CpCO2 = 844, CpO2 = 1040, CpN2 = 1865, CpH2O= 918 (ver anexo 3)183,3 x 844
+
632,6 x 1040
+
114 x 1865
+
109,9 x 918
KJ
1014,76
Kg. K
Cpg = 1083 (KJ / Kg.x K)
Cpg = 0.259 (kcal / Kg. x K)
Temperatura estándar = 25 °C = 298 K
Temperatura salida = 280 °C = 553 K
G = (CO2 + N2 + H2O + O2) x C pg x (T salida –T std)
(183,3 + 632,6 + 114 + 109,9) x 0,259 x (553 – 298 )
160
G = 685,8 (kcal/kg combustible Húmedo)
Q útil = qhp -H2OG R
Q útil = (2812,5 – 402,1 – 685,8 + 94,4) (kcal/kg combustible Húmedo)
Q útil = 1817,0 (kcal/kg combustible Húmedo)
- Calor útil a 60%
C
50%
50
4,167 kmoles
PM =
12
O2
44%
44
1,375 kmoles
PM =
32
H2
6%
6
3,000 kmoles
PM =
2
H2O
35%
35
1.944 kmoles
PM =
18
4,17C + 1,4O2 + 3H2 + 1,9H2O + a (O2 + 3,76N2) = XCO2 + YN2 + ZH2O
- Ideal
C]
4,2
=
X
X
=
4,17
H]
6+
3,89
=
Z2
Z
=
4,94
O]
2,8+
1,9+
a2
=
X8,3+
Z4,9
a
=
4,29
N]
a3,8
=
Y
Y
=
16,14
4,2C + 1,4O2 + 3,H2 + 1,9H2O + 4,3O2 + 16,1N2 = 4,2CO2 +16,1N2 + 4,9H2O
4,2C + 1,4O2 + 3H2 + 1,9H2O + 6O2 + 22,6N2 = XCO2 + YN2 + ZH2O + VO2
C]
4,17
=
X
X
=
4,17
H]
6+
3,89
=
Z 2
Z
=
4,94
O]
2,75+
1,9+
12,02
=
2+
Z+V
Y
=
22,59
N]
22,59
=
Y
V
=
3,43
4,2C+1,38O2+3H2+1,9H2O+6O2+22,6N2= 4,2CO2+22,6N2+4,9H2O+3.4O2
La base seca es de 100 % con humedad 160 %
P.C.S. en Base Seca = 4500 (kcal/kg.) Secos
4500
Kcal
X
100
Kg. Combustible seco
Kg. combustible seco
35
Kg. Combustible Húmedo
PCS en base Húmeda = 3333.3 (kcal/kg Húmedo)
- Real
H2O = m H2O x hfg /m combustible
hfg f (PH2O) = Patm (nagua / ntotal)
n = numero de moles
P = Presión del agua
P = Presión atmosférica
hfg PH2O = 1,033 x
(4,94)
35,14
PH2O = 0,145 (Kg./cm2)
hfg = Ver valor en tabla Anexos 1 Tabla de vapor saturado a presion 0,145 Kg./cm2 con un valor de 567,1 (kcal/kg.)
H2O
=
89
x
567,1 (kcal/kg)
135
H2O = 373,9 (kcal/kg Húmedo)
- Perdida de la vaporización del agua (H2O), depende de la presion
R = R combustible + R aire
R combustible Por ser combustible sólido es cero
Entalpía Molar N2 a Temperatura estándar de 25 °C (ver Anexo 2)
175 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar N2 a Temperatura entrada de 100 °C (ver Anexo 2)
700 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar O2 a Temperatura estándar de 25 °C (ver Anexo 2)
170 (Kcal/kmol)
Entalpía Molar O2 a Temperatura entrada de 100 °C (ver Anexo 2)
710 (Kcal/kmol)
R aire = n O2 (h1 – h std) + n N2 (h1 – h std) / n x PM combustible húmedo
6,01 x (710 –170) + (22,5 x (700 – 175)
135
R aire = 111,9 (kcal/kg combustible húmedo)
- Energía de los ReactivosR
G = masa gases x C pg x (T salida –T std) / n x PM combustible húmedo
CpCO2 = 844, CpO2 = 1040, CpN2 = 1865, CpH2O= 918 (ver anexo 3)183,3 x 844
+
632,6 x 1040
+
89 x 1865
+
109,9 x 918
KJ
1014,76
Kg. K
Cpg = 1063,77 (KJ / Kg.x K)
Cpg = 0.254 (kcal/kg x K)
Temperatura estándar = 25 °C = 298 K
Temperatura salida = 280 °C = 553 K
(CO2 + N2 + H2O + O2) x C pg x (T salida –T std)/ masa combustible humedo
(183,3 + 632,6 + 89 + 109,9) x 0,26 x (553 – 298)
135
G = 657,4 (kcal/kg combustible húmedo)
- Energía de perdida por la salida a alta temperatura de los gasesG
- Q útil = qhp -H2OG R
- Calor útil a 35%
- BASE DE CALCULO
Q útil = (3333,3 – 373,9 – 657,4 + 111,9) (kcal/kg combustible húmedo)
Q útil = 2413,9 (kcal/kg combustible húmedo)
De acuerdo a lo anterior, se confirma que al disminuir la humedad del combustible de 60% a 35% el poder calorífico de la mezcla mejora considerablemente y por consiguiente la eficiencia de la caldera.
El análisis económico o la rentabilidad es otro aspecto importante en la toma de decisiones en proyectos de inversión. El proyecto se evaluará a cinco años.
Para implementar el Proyecto, se requieren los siguientes equipos e instalaciones con su estimación de inversión asociada:
Tabla 5 Cuadro Inversión
Ítem
Descripción
Total
Secador
Secador Rotativo
$ 72.000.000
Piping
Con Aislante Incluida
72 mts
$35.000 mt
$ 2.520.000
Construcción
Losas
23,6 m3
$120.000 m3
$ 2.832.000
Mano de obra
Horas Hombre
70 H.H.
$4.000 H.H
$ 280.000
Instalaciones Eléctricas
$ 4.000.000
Montaje y puesta en marcha
$ 25.000.000
Sub Total $
$ 106.632.000
Imprevistos 10%
$ 10.663.200
Total Inversión $
$ 117.295.200
US$
195.492
- DETERMINACIÓN DE INVERSIÓN
Los ingresos del proyecto están determinados por las siguientes partidas:
- Aumento de producción de vapor en la Caldera:
Se estima un aumento mínimo en la producción de vapor de 2 Ton/hr.
Generador del Gasto
C/U
Costo por Unidad
Total por Hora
Operación
Operador
4
Operador
763
$/hr
$ 3.052
Ayudantes
7
Operador
396
$/hr
$ 2.772
Mantención
1
1388
$/hr
$ 1.388
Combustible
Aserrín
5,8
m3/hr
800
$/m3
$ 4.640
Viruta
5,5
m3/hr
750
$/m3
$ 4.125
Energía
Bomba alimentación
22
kw
21
$/kw hr
$ 462
VTI
75
kw
21
$/kw hr
$ 1.575
VTF
18
kw
21
$/kw hr
$ 378
Central Hidráulica
25
kw
21
$/kw hr
$ 525
Válvulas dosificadora
1,5
kw
21
$/kw hr
$ 32
Transportador
7,5
kw
21
$/kw hr
$ 158
Cargador frontal
1
Operador
8.000
$/h
$ 8.000
Tratamiento de agua
Nalco 198
0,038
Kg.
2.500
$/hr
$ 95
Nalco 1820
0,039
Kg.
4.600
$/hr
$ 179
Nalco 7203
0,044
Kg.
2.520
$/hr
$ 111
Soda Cáustica
5,532
Kg.
126
$/hr
$ 697
Ácido Clorhídrico
3,71
Kg.
117
$/hr
$ 434
Total hora Insumos
$ 28.622
Si la caldera produce 13 Ton/hr y el total de costos asociados es de $ 28.622/hora, el costo unitario del vapor es de 2.202 $/ton; equivalentes a US$ 3.67/ton.
- Ahorro Combustible:
El otro ingreso del Proyecto está determinado por el ahorro de combustible para la operación de la Caldera. En este caso, se obtiene del ahorro en el consumo de viruta seca, que ya no es requerida por la mezcla al ingresar con menor contenido de humedad y mayor poder calorífico. En el cuadro siguiente se muestra el resumen de ingresos del Proyecto.
Tabla 7 Ingresos
Ingreso
$ C/U
Total Ingreso
Mayor Producción de Vapor
2 Ton/hr
17.280 Ton/años
$2.202 $/Ton
$38.045.751
No Comprar Viruta
3,2 m3/hr.
27.389 m3/año
$800 $/m3
$21.911.040
Total Anual
$59.956.791
- ESTIMACIÓN INGRESOS DEL PROYECTO
- Energía
Los egresos se calculan sobre la base de los costos que significa la operación de la planta de secado, entre los que se consideran:
Energía eléctrica, se considera con un 10% más por el rendimiento de los motores
Tabla 8 Egresos
$ Energía
Energía año
Accionamiento Secador
55 Kw.
522.720 Kw. /año
21 Kw. /hr.
$10.977.122 $/año
Extractor de vahos
18 Kw.
171.072 Kw. /año
21 Kw. /hr.
$3.592.512 $/año
- Mano de Obra
Este ítem no se considera por cuanto se incorpora como una función más de los actuales operadores de la Caldera.
Mantención de equipos Mecánicos: $ 1.000.000 por año
Mantención de equipos Eléctricos: $ 500.000 por año
Depreciación de equipos: $ 1.800.000 por año
- ESTIMACIÓN EGRESOS DEL PROYECTO
Se determina el VAN, TIR y el período de recuperación de la inversión
Tabla 9 Flujos de dineros
Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar trabajo" del menú superior
VAN = a un 11% de rentabilidad (i)
-117.295.200+41.152.855+37.074.644+33.400.580+30.090.613+48.472.908
VAN = $ 72.896.399
VAN = US$ 121.493
- Valor Actualizado Neto
TIR = 31,5% de rentabilidad
- Tasa Interna de Retorno
- Periodo de Recuperación
- DETERMINACIÓN DE INDICADORES DE RENTABILIDAD
45.679.669 + 45.679.669 = 91.359.338
117.295.200 – 91.359.338 = 25.935.826
(25.935.826 / 45.679.669) x 12 = 6.8 meses ~ 7 meses
Al cabo de dos años y siete meses se produce la recuperación de la inversión.
- ANÁLISIS ECONÓMICO
-
El requisito final para la obtención del título de Ingeniero en Ejecución en Mantenimiento Industrial, es el estudio técnico y económico de un caso real en el campo de la ingeniería. El presente estudio responde a este requisito.
En cuanto a los objetivos propuestos para este proyecto, se puede concluir lo siguiente:
Al implementar un sistema de secado de combustible se consigue reducir la humedad de la mezcla actualmente utilizada en la Caldera DHM, de un 60% a 35%.
Se aumenta la producción de vapor en 2 Ton/hr en relación a lo actual, con lo que la producción futura será de 16 Ton/hr. Este vapor podrá ser utilizado íntegramente en la Máquina Papelera donde actualmente se demandan 18 Ton/hr.
El proyecto de un punto de vista económico es rentable, con buenos indicadores de rentabilidad. Se encuentra que el VAN igual US$ 121.493, TIR igual a 31.5%, Período de recuperación de inversión de 2 años y 7 meses.
En este tipo de estudio deja de manifiesto la importancia de ejecutar proyectos para la mejora continua y la reducción de costos de la empresa.
Aplicar y desarrollar proyectos de Ingenieria para la industria de producción, Implica un estudio técnico económico, y el conocimiento de aplicar herramientas obtenidas durante el periodo de estudio.
- CONCLUSIÓN
Termodinámica Volumen 1 y 2
Autor:
Apunte Termodinámica y Transferencia de Calor
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