1. GENERACIÓN DE VAPOR CON DESECHOS

A continuación se evaluará la cantidad y las características energéticas de los desechos combustibles generados al interior de la 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).

    1. HUMEDAD Y CONTENIDO ENERGÉTICO
    2. 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.

      1. Corteza
      2. 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

      3. Pinchip
      4. 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

      5. 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

       

    3. CARACTERIZACIÓN DE LOS DESECHOS
    4. 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

    5. 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.

  1. CIRCUITO DE COMBUSTIÓN
  2. 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

    1. EQUIPOS DE TRANSPORTE
    2. 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.

      1. Transportador de cadena
      2. 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

      3. Válvulas Dosificadoras
      4. 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

         

      5. Ventilador Tiro Forzado (VTF)
      6. 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.

      7. Ventilador Tiro Inducido (VTI)
      8. 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

         

      9. 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

       

    3. COMBUSTIBLE EN CALDERA D.H.M
    4. 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.

    5. MEZCLA ACTUAL

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

 

    1. PROBLEMAS DETECTADO EN EL CIRCUITO DE COMBUSTIÓN
    2. 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.

    3. ALTERNATIVA DE MEJORAS DEL COMBUSTIBLE
      1. Orear en cancha
      2. 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.

      3. Secado de combustible en pre secadores

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

    1. BASE DE CALCULO
    2. 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.

      1. Calor útil a 60%
      2. 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

         

          1. Análisis Ideal
          2. 4,17C + 1,38O2 + 3,00H2 + 3,33H2O + a (O2 + 3,76N2) = XCO2 + YN2 + ZH2O

          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

        1. Análisis Real
        2. 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

        3. Perdida de la vaporización del agua (H2O), depende de la presion
        4. 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

           

           

        5. Energía de los ReactivosR
        6. 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)

           

        7. Energía de perdida por la salida a alta temperatura de los gasesG

         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 -H2OG R

        Q útil = (2812,5 - 402,1 - 685,8 + 94,4) (kcal/kg combustible Húmedo)

        Q útil = 1817,0 (kcal/kg combustible Húmedo)

         

         

      3. Calor útil a 35%
      4. 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

         

          1. Ideal
          2. 4,17C + 1,4O2 + 3H2 + 1,9H2O + a (O2 + 3,76N2) = XCO2 + YN2 + ZH2O

          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

        1. Real
        2. 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)

        3. Perdida de la vaporización del agua (H2O), depende de la presion
        4. 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)

        5. Energía de los ReactivosR
        6. 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)

        7. Energía de perdida por la salida a alta temperatura de los gasesG
        8. 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)

           

        9. Q útil = qhp -H2OG R

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.

  1. ANÁLISIS ECONÓMICO
  2. 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.

    1. DETERMINACIÓN DE INVERSIÓN
    2. 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

    3. ESTIMACIÓN INGRESOS DEL PROYECTO
    4. Los ingresos del proyecto están determinados por las siguientes partidas:

        1. Aumento de producción de vapor en la Caldera:
        2. Se estima un aumento mínimo en la producción de vapor de 2 Ton/hr.

          Tabla 6 Costo de generar 1 Ton/hr de vapor

        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.

      1. 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

    5. ESTIMACIÓN EGRESOS DEL PROYECTO
        1. Energía
        2. 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

         

      1. 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

    6. DETERMINACIÓN DE INDICADORES DE RENTABILIDAD
    7. 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

       

       

        1. Valor Actualizado Neto
        2. 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

        3. Tasa Interna de Retorno
        4. TIR = 31,5% de rentabilidad

        5. Periodo de Recuperación

    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.

  3. CONCLUSIÓN
  4. 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.

  5. BIBLIOGRAFÍA
  6. Termodinámica Volumen 1 y 2

    Autores: Yanus Çengel – Michael A. Boles

    Apunte Termodinámica y Transferencia de Calor

    Autor: Profesor Ing. Sr. Carlos Bizama Fica

    Catalogo Caldera D.H.M

    Autor: Vapor Industrial S.A.

    Internet

  7. Anexos

Anexos 1 Tabla Vapor Saturado (kcal/kg.)

 

h = ∫0 cP dt [kcal/kmol] Sin considerar la disociación

Anexos 2 Entalpías Molares

Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar trabajo" del menú superior

 

Peso Molecular del Gas

H2

N2

O2

CO

H2O

CO2

CH4

Aire

SO2

2.016

28.016

32.0

28.01

18.016

44.01

16.042

28.97

64.066

 

Anexos 3 Aire a Baja Presion

 Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar trabajo" del menú superior

 

SIMBOLOGIA EMPLEADA

P.C.S. = Poder Calorífico Superior, kcal/Kg.

P.C.I. = Poder Calorífico Inferior; kcal/Kg.

B.S. = Base seca

B.H. = Base húmeda

r.p.m. = Revoluciones por minuto

kw = Kilowatt

m = metros

g/m2 = Gramaje del papel

mt/min = Unidad de velocidad en metro minutos

Ton/hr = Consumo de masa en Toneladas hora

Kg/cm2 = Medida de presion expresada en kilogramo centímetros

kcal/Kg. = Unidad de mediada para la energía

Kg/m3 = Unidad de medida de la densidad en kilogramo metro

kcal/hr = Unidad de medida de energía en kilocaloría hora

m3/hr = Unidad de medida del caudal en metro horas

K = Grados Kelvin

C = Grados Celsius

F.P.C. = Forestal y Papelera Concepción

T.M.P. = Pulpa termomecánica o Thermo Mechanical Pulp

T.A.C. = Torre Alta Consistencia

D.H.M = Desecho Húmedo Madera

VTF = Ventilador Tiro Forzado

VTI = Ventilador Tiro Inducido

U$ = Dólar

VAN = Valor Actual Neto

TIR = Tasa Interna de Retorno

 

 

DEDICATORIA

Quiero dedicar esta meta que en un principio fue inalcanzable, a la memoria de Andrea del Carmen Fierro Islas, y decir que la meta esta cumplida, aunque Ella ya no este con nosotros, por que descansa en paz.

Expresar en estas letras que su esfuerzo y dedicación quedo en un recuerdo por todos los que la conocimos, en especial, yo por que compartí momentos tan especiales junto a ella. Un pololeo sano y con sentimientos que siempre no reservamos por que primero había que cumplir una meta, nuestros estudios.

AGRADECIMIENTOS

A mis papas Cesar y Mireya quienes son los más importante y los grandes responsable de ser en estos momentos alguien en la vida. Gracias a ellos he logrado cosa que nunca espere y todo, a su buena educación y enseñanza, gracias PAPAS infinitamente gracias.

El siempre apoyo de mis hermanos, Cesar quien me ayudo a lograr el técnico, financiando la carrera, mi hermana Ma. Isabel y su esposo José siempre cuidando de estar bien y tranquilo de poder estudiar, gracias hermanos.

A Andrea quien me dio muchas satisfacciones y de sentirme muy orgulloso de haber compartido un pololeo sano y con sentimientos

Alcanzar una meta, comenzar una carrera de ingeniería no es fácil y estudiar y trabajar se complica aun más, es ahí donde siempre constamos con alguien quien nos esta apoyando, nuestra familia los amigos y los compañeros de trabajos, Guillermo Barcenas Supervisor Departamento Mecánico y Leonardo Muñoz Supervisor Departamento Mecánico, Supervisores que siempre apoyaron a conseguir esta meta, tan anhelada, Al ingeniero en Proyecto Juan Lagos por su aporte y ayuda en la generación del proyecto.

A Don Waldo Sembler por facilitar las garantías económicas, al cuerpo docente de la Universidad, a mi profesor guía Carlos Bizama Fica, a mis compañeros de trabajo de turno, de maestranza, y todos aquellas personas que siempre prestan una mano cuando más lo necesite, en las buenas y en las malas.

 

GRACIAS A TODOS

 

 

Cristian Peña Vasquez

cpena29[arroba]hotmail.com

Ingeniero Ejecucion en Mantenimiento Industrial

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