Análisis energético de una Caldera Bagacera

INTRODUCCIÓN

Las calderas modernas de la industria azucarera son unidades productoras de vapor que permiten la quema de una amplia gama de combustibles con características diferentes, entre ellos, los combustibles fibrosos tales como bagazo de caña, "chips" de madera, residuos forestales u otros derivados de biomasa. Estos combustibles pueden ser quemados aisladamente o en combinación con carbón, petróleo o gas natural.
La industria azucarera de Tucumán ha incorporado calderas modernas que consumen bagazo como único combustible; dada su relativamente elevada altura, el aire caliente de turbulencia, que se distribuye estratégicamente a distintos niveles de elevación, y la alimentación neumática permiten que la biomasa se queme en suspensión cumpliendo las etapas del proceso de combustión en forma progresiva: evaporación de la humedad, destilación y oxidación de los componentes volátiles y finalmente del carbono fijo, con un consecuentemente mayor tiempo de permanencia del combustible y un factor de dilución bajo. Esto implica un mejor aprovechamiento de este y la posibilidad de quemar bagazo con relativamente alta humedad, sin la necesidad de emplear combustibles adicionales.

Estas mejoras, que permiten una mayor producción de vapor y de energía eléctrica, en el caso de cogeneración para venta a la red pública, a partir de la misma cantidad de biomasa y sin el aporte de combustibles de origen fósil, hacen de las calderas modernas una importante tecnología de producción más limpia, entendiéndose como tal aquella tecnología que permite producir sin el uso de materias primas tóxicas, ahorrando recursos y minimizando la cantidad y toxicidad de todas las emisiones y desechos.
El objetivo del presente trabajo fue evaluar energéticamente tres calderas bagaceras modernas de ingenios, mediante ensayos de mediciones y cálculos de balances de masa y energía.

PARTE I: GENERALIDADES DE CALDERAS.

1. ¿QUE ES UNA CALDERA?

Es un generador de vapor en donde el agua pasa de su estado líquido, al estado gaseoso que es el vapor, gracias al calor proporcionado por un combustible al arder.
Para que una caldera funcione necesita 3 elementos fundamentales que son:

Agua: se transforma en vapor.

Combustible: nos proporciona el calor necesario para cambiar el agua de líquido a vapor.

Aire: es el comburente que necesita el combustible para arder.

2. CLASIFICACION DE LA CALDERA SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO.

• DE TUBOS DE AGUA:

En este tipo el agua circula por dentro de los tubos y por fuera los gases de la combustión.

• DE TUBOS DE HUMO:

En este tipo los gases van por dentro de los tubos y el agua por fuera de ellos.

3. ¿QUE ES EL TIRO FORZADO?

Es la introducción de aire a presión en la cámara de combustión u hogar por medios mecánicos para hacer más eficiente la quema del combustible.

• ¿QUE PASA SI HAY EXCESO DE TIRO FORZADO?

Ocasionaríamos doble perdida:

1.- por el calentamiento innecesario del aire que entra y el enfriamiento correspondiente al hogar y esto nos lleva a consumo de un combustible secundario para cumplir con la demanda del proceso.

2.- y el aumento del volumen de los gases que van a la chimenea y su pérdida de calor utilizable.

      - ¿QUE PASA SI NO ES SUFICIENTE?

La combustión sería deficiente y necesitaríamos un combustible secundario para cumplir con la demanda del proceso.

• ¿QUE ES EL TIRO INDUCIDO?

Es la corriente de succión de aire que se obtiene en una chimenea, al provocar un vacío en su base por medio natural o por medio mecánico (ventilador).

• ¿QUE PASA SI HAY EXCESO?

Tendríamos un enfriamiento de la cámara de combustión y una mayor velocidad del recorrido de gases de combustión y no aprovecharíamos al 100% su transferencia de calor.

• ¿QUE PASA SI NO ES SUFICIENTE?

Tendríamos una combustión deficiente, se nos ahogaría la caldera por exceso de gases en la cámara de combustión y harían corto circuito con el aire. Provocando pérdidas de capacidad de generación y aumento en los costos de operación.

Nota: estos dos tiros se emplean para tener una mejor combustión, y deben estar balanceados o mejor dicho tener una presión equilibrada en la entrada de aire y la salida de gases.

• ¿QUE ES EL AIRE FLUIDIZADO Y QUE PROVOCA?

Es un equipo auxiliar que se utiliza para aumentar la presión de aire en la cámara de combustión para agilizarla y romper más fácilmente las celdas del bagazo aumentando la eficiencia de la caldera.

3.     EQUIPO BASICO DE LA CALDERA.

Son las partes en que está constituida la caldera, a continuación se resumen y se da una breve explicación para su mejor entendimiento.

1. HORNO.

Es la parte de la caldera donde se lleva a cabo la combustión, o la quema del bagazo en nuestro caso, y el adicionamiento del combustible secundario (combustoleo).

2. QUEMADOR.

Es un equipo auxiliar para la atomización y combustión de un combustible secundario (combustoleo). Que es requerido cuando las condiciones la fábrica y la demanda de vapor lo requieran.

3. ECONOMIZADOR.

Es un conjunto de tubos conectados por un cabezal, por los que circula agua de alimentación en su interior y por el exterior son aprovechados los gases de combustión.

4. DOMO SUPERIOR.

Es un cilindro en la parte superior de la caldera donde se entrega el agua de alimentación y están conectados a la fluxería del banco de generación, por la cual desciende el agua de alimentación al domo inferior, y vuelve ascender ya funcionando como colector de vapor, y entregarlo a unos separadores de humedad, al finalizar el recorrido por los separadores el domo superior entrega vapor saturado al cabezal de admisión de vapor del sobre-calentador.

5. DOMO INFERIOR.

También llamado domo colector de lodos, es donde continua el recorrido del agua de alimentación que viene del domo superior, por el aumento de temperatura en el agua tiende a ascender y dejar en el fondo depósitos de impurezas que lleva el agua.

6. SOBRECALENTADOR DE VAPOR.

Son intercambiadores de calor, que consta de un conjunto de tubos o elementos, colocados en el paso de los gases calientes, estos elementos reciben vapor saturado o ligeramente húmedo que viene del domo superior y lo entregan ya seco o sobrecalentado al cabezal general de vapor.

7. PRECALENTADOR DE AIRE.

Es un dispositivo de la caldera en la que su función es calentar el aire que entra en el horno u hogar, por medio de los gases de combustión que salen del economizador, o de la caldera en caso de no tener economizador; está formado por un grupo de tubos colocados de forma tal que el aire pasa por el exterior de ellos y los gases de combustión por el interior, así se seca el aire y es conducido hacia el hogar, esto es con la finalidad de mejorar la eficiencia de la combustión.

8. DUCTO DE SALIDA DE GASES.

Es la estructura diseñada para el último paso de los gases, llevándolos hasta el ventilador (tiro inducido) y así lanzarlos por la chimenea.

9. CHIMENEA.

Son equipos diseñados para tener tiro inducido natural por diferencias en las temperaturas, así que el aire caliente del interior es menos pesado que el aire frío del exterior o atmósfera, elevando este siendo más ligero y dejando un vacío en la parte inferior de la chimenea produciendo el jalón o tiro natural.

10. NIVEL FISICO.

Es un indicador del nivel de agua dentro del domo superior de la caldera, generalmente es de uno o dos cristales comunicados con la cámara de vapor y agua de la caldera, basados en el principio de “vasos comunicantes”, que dice que todo recipiente comunicado entre sí, tienden a recuperar su nivel.

11. VALVULA DE SEGURIDAD.

Es una válvula automática que se abre sola a una presión determinada con anterioridad, dejando salir vapor; su función es impedir que suba la presión mas allá de lo normal, desalojando a la atmósfera el exceso de vapor. Con lo que se consigue asegurar la presión de trabajo y evitar una explosión de la caldera por exceso de presión.

12. VENTEOS.

Son dispositivos de desalojo (válvulas) para que al poner en marcha la caldera (el llenado) se encuentren abiertos y su función es desalojar las partículas de aire y gases alojados dentro de la fluxería, hasta el momento en que se tenga un tiempo considerable de generación y recorrido completo de vapor se procederán a cerrar, todo esto con la finalidad de proteger la fluxería y evitar su ruptura.

13. SOPLADORES DE HOLLIN.

Son dispositivos de limpieza externa de la fluxería. Estando en operación la caldera, por medio de vapor, accionados por una válvula de resorte que entrega el vapor a una lanza barrenada que pasa por una sección de fluxes y remueve la ceniza acumulada en ellos. Propiciando una mejor transferencia de calor al mantener limpia la superficie de intercambio.

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