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 humedadSe 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 ENERGÉTICOPara 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
desechosC.R.: Condiciones en que se entregó
muestraB.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 barredoresEl 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
combustibleFoto 5 Zona de
barredoresEl 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
DosificadorasSu 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
TRANSPORTEEl 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 superiorTabla 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.
Para ver la siguiente tabla seleccionar
la opción "Bajar trabajo" del menú
superior
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
- Orear en
- 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:
Para ver la siguiente tabla seleccionar
la opción "Bajar trabajo" del menú
superior
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
secaTemperatura de entrada es de 100
°CTemperatura de salida 280 °C
Temperatura estándar 25
°CAnálisis 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 superior4,17C + 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 + 6,3H2OEl 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 +
VO2C]
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+3.4O2La base seca es de 100% con humedad
160%PCS en Base Seca = 4500 (Kcal/kg.)
Seco4500
Kcal.
X
100
Kg. combustible
secoKg. combustible
seco60
Kg. combustible
húmedoPCS en base Húmeda = 2812,5
(kcal/Kg.) Húmedo- Análisis Real
H2O = mH2O x
hfghfg 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 presionR = R
combustible + R
aireR combustible Por ser
combustible sólido es ceroEntalpía 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
húmedo6,01 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
KTemperatura 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
RQ 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 + 4,9H2O4,2C + 1,4O2 + 3H2 +
1,9H2O + 6O2 +
22,6N2 = XCO2 +
YN2 + ZH2O +
VO2C]
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+3.4O2La base seca es de 100 % con humedad 160
%P.C.S. en Base Seca = 4500 (kcal/kg.)
Secos4500
Kcal
X
100
Kg. Combustible
secoKg. combustible
seco35
Kg. Combustible
HúmedoPCS en base Húmeda = 3333.3
(kcal/kg Húmedo)- Real
H2O = m H2O
x hfg /m
combustiblehfg f (PH2O) =
Patm (nagua /
ntotal)n = numero de moles
P = Presión del agua
P = Presión
atmosféricahfg 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 presionR = R
combustible + R
aireR combustible Por ser
combustible sólido es ceroEntalpía 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
húmedo6,01 x (710 –170) + (22,5 x
(700 – 175)135
R aire = 111,9 (kcal/kg
combustible húmedo) - Energía de los
ReactivosRG = masa gases x C
pg x (T salida –T
std) / n x PM combustible
húmedoCpCO2 = 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 KTemperatura 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
CpCO2 = 844, CpO2 =
CpCO2 = 844, CpO2Q 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
INVERSIÓNLos 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
dosificadora1,5
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
Clorhídrico3,71
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.- Aumento de
- 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
Vapor2 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 motoresTabla 8 Egresos
$
EnergíaEnergía
añoAccionamiento
Secador55 Kw.
522.720 Kw.
/año21 Kw. /hr.
$10.977.122
$/añoExtractor de vahos
18 Kw.
171.072 Kw.
/año21 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 añoMantención de equipos Eléctricos:
$ 500.000 por añoDepreciación de equipos: $ 1.800.000 por
año - ESTIMACIÓN
EGRESOS DEL PROYECTOSe determina el VAN, TIR y el período de
recuperación de la inversiónTabla 9 Flujos de dineros
Para ver la
siguiente tabla seleccionar la opción "Bajar
trabajo" del menú superiorVAN = 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
NetoTIR = 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
mesesAl 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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