“Diseño de un molino de bolas con una capacidad de 12 TM/h de molienda de carbón antracita, para mejorar la operación de la caldera TSX-G de lecho fluidizado de la empresa Trupal S.A.”

FACULTAD DE INGENIERÍA [pic 1]

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“Diseño de un molino de bolas con una capacidad de 12 TM/h de molienda de carbón antracita, para mejorar la operación de la caldera TSX-G de lecho fluidizado de la empresa Trupal S.A.”

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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

AUTOR

Junior Alberto Jiménez Bazán

ASESOR

Ing. Javier León Lezcano

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

Modelamiento y Simulación de Sistemas Electromecánicos.  

TRUJILLO – PERÚ

2016

GENERALIDADES:

Título:

“Diseño de un molino de bolas con una capacidad de 12 TM/h de molienda de carbón antracita, para mejorar la operación de la caldera TSX-G de lecho fluidizado        de la empresa Trupal S.A.”

Autor:

Junior Alberto Jiménez Bazán.

Asesor:

Ing. Carlos Sánchez Huertas.

Tipo de investigación:

- De acuerdo al fin que se persigue: Aplicada.

- De acuerdo a la técnica de contrastación: Pre-experimental.

- De acuerdo al régimen de investigación: Orientada.

Línea de investigación:

Modelamiento y Simulación de Sistemas Electromecánicos.  

Localidad:

Malca s/n – Distrito De Santiago de Cao/ Provincia De Trujillo/ Departamento De La Libertad.

Duración de la investigación:

Fecha de inicio:          marzo - 2016

Fecha de término:    octubre – 2016

I. INTRODUCCIÓN:

1.  Realidad problemática:

La empresa papelera Trupal S.A esta dedicada a la fabricación de papeles y cartones a partir de bagazo desmodulado de caña de azúcar como materia prima principal. Él tipo de papel es variado y la producción está destinada tanto para el consumo nacional y extranjero. En el área denominada “Planta De Fuerza” donde se realiza el proceso de cogeneración (Energía térmica y energía eléctrica), actualmente cuenta con una caldera TSX –G de lecho fluorizado con carbón antracita procesada en un molino de martillo. La caldera trabaja a una presión de 900 Psi, para generar 10 MW de energía eléctrica en un turbogenerador, consumiendo 12 TM/h de carbón y 11.73 TM/h de médula de bagazo.

En la actualidad para el preparado de carbón antracita para la combustión del caldero, se realiza a través de un molino de martillos, donde el resultado de la trituración son tamaños en un rango de 15mm a 75mm, ocasionando una serie de problemas en la operación del caldero, comenzando desde la obstrucción en los diafragmas porque solo permiten el paso de tamaños de carbón de máximo de 8mm. Debido al tamaño del carbón, se obtiene mayor humedad e incremento en la temperatura de combustión de hasta 1000°C; lo cual produce obstrucciones en los conductores, toberas fundidas, tuberías de vapor fracturadas. Además cuando ocurren estos problemas, para mantener estable la presión de la caldera se con lleva a enlazarse o sincronizarse en paralelo con la red de hidrandina, realizando un gasto de consumo de energía eléctrica en su red, donde no se puede exceder más de 900 KW porque se tendría que pagar 7.00 $/KW-h. Debido a esta problemática, la empresa Trupal en el año 2015, obtuvo una pérdida económica de 1 500 000.00 S. /año ocasionadas por la mala preparación del carbón antracita.

Por lo que se plantea convertir el tamaño del carbón que sale del molino de martillos en molienda o pulverización a un tamaño promedio de 10 – 300 (0.01 – 0.3mm) en un molino de bolas, (Alcántara, 2008). Al convertir el tamaño del carbón o un nivel de molienda o pulverización, el porcentaje actual de humedad contenido en el carbón que es el 10% con un poder calorífico inferior de 5500 KJ/Kg, se reduciría a porcentajes entre 0.5 – 1.5%, aumentando el poder calorífico inferior del carbón antracita; logrando mejorar la operación del caldero (Fuente: Departamento de Mantenimiento – Trupal S.A). [pic 3]

1. Trabajos previos

Alcántara (2008), en su tesis para obtener el título profesional de Ingeniero Mecánico. Realizada en el Instituto Politécnico Nacional (México, D.F.  - México), titulada: “Diseño práctico de un molino de bolas”, realizó la descripción teórica de los principales equipos de molienda existentes en la industria, así como sus partes y funcionamiento, además de enfocarnos en el diseño de la transmisión del molino de bolas para la obtención de molienda. Además de mencionar el mantenimiento que se debe de realizar para preservar en óptimas condiciones el molino, evitando perdidas en la producción.

Concluyendo, que durante el diseño y la investigación para la realización del presente trabajo se desarrolló de manera concisa y ordenada el estudio de los diferentes equipos que existen en la industria para la molienda encontrando a el molino de bolas como la mejor opción para la fabricación de 15,674 Toneladas de grava por año calculando las dimensiones del molino, el grado de llenado, el consumo de energía eléctrica y las capacidades de producción que tendrá.  También se redujo de manera significativa cualquier desgaste ocasionado durante la trasmisión de movimiento, tomando en consideración diferentes aspectos básicos en el cálculo de engranes, ejes, rodamientos, acoplamientos, selección del motor eléctrico y el reductor de velocidad.

Real (2006), en su tesis para obtener el título profesional de Ingeniero Mecánico. Realizada en la Escuela Superior Politécnica del Litoral (Guayaquil - Ecuador), titulada: “Diseño de un sistema para el proceso de molienda de carbón mineral para ser usado como combustible industrial”, Explico que el uso del carbón mineral como combustible industrial es su costo por unidad de energía, ya que este representa alrededor del 30% del costo del gas licuado de petróleo y 28% del costo del bunker, combustibles ampliamente usados a nivel industrial en nuestro medio. La molienda del carbón, permite dos efectos importantes: La deshidratación, puesto que la reducción del contenido de humedad tiene un efecto positivo en la tasa de transferencia de calor; y el aumento de la superficie específica, es decir, la superficie del carbón expuesta a la combustión por unidad de volumen.

Concluyendo que dentro de la extensa clasificación de molinos, los aplicables a la molienda del carbón mineral son: el Molino Vertical de Rodillos y el Molino de Bolas.

Grueso & Herrera (2005), en su tesis para obtener el título profesional de Ingeniero Mecánico. Realizada en la Universidad Autónoma de Occidente (Cali - Colombia), titulada: “Diseño y construcción de un molino de bolas de alta energía y alta capacidad”, Detalla que utilizar molinos de bolas es una técnica fácil y económica, comparada con otros métodos tradicionales; además brinda la posibilidad de combinar materiales metálicos con no metálicos, abriendo así todo un horizonte para la investigación de nuevos materiales.

Concluyendo, que las herramientas computacionales CAD, fueron de gran importancia al momento de evaluar cada una de las soluciones que se plantearon dentro del desarrollo de este trabajo. El apoyo en la teoría de elementos finitos (Algor, Ansys), las modelaciones 3D (Solid-Edge, Solid Works, Visual Nastran), modelaciones 2D (Working Model) resultaron importantes al momento de tomar decisiones en la selección de piezas, materiales, mecanismos y demás elementos constituyentes del modelo puesto en consideración en este escrito. Estas herramientas se convierten de gran ayuda para el diseño con la que cuentan los ingenieros en la actualidad, ya que permiten predecir de manera muy cercana a la realidad el comportamiento de los materiales, permitiendo un ahorro de tiempo, dinero y brindando mayor confiabilidad a los diseños.

1.3 Teorías relacionadas al tema

1.3.1. Caldera acuotubular en lecho fluidizado

Caldera apta para la utilización de combustibles sólidos como el carbón, en especial los de difícil combustión tales como: coque de petróleo, antracita y lignitos (con alta humedad, baja materia volátil y bajo poder calorífico), sin requerir el uso de combustibles auxiliares. Se basa en una combustión lenta a baja temperatura, mediante un material inerte caliente como la arena, que permite encender el combustible al quedar en contacto directo con dicho material, (http://www.renovetecingenieria.com/).

En la figura 1.1, se muestra una caldera en lecho fluidizado

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Figura 1.1: Caldera en lecho fluidizado con carbón

Fuente: Fernández, 1996

El rendimiento energético se expresa, (Kenneth y Donald, 2001):

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Dónde:

: Rendimiento energético del caldero [pic 6][pic 7]

: Flujo másico de vapor producido por el caldero [pic 8][pic 9]

: Entalpia de líquido saturado del agua [pic 10][pic 11]

: Entalpia del vapor saturado[pic 12][pic 13]

: Potencia calorífica total [pic 14][pic 15]

1.3.2. Molino de Bolas

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