CURSO INTERNACIONAL “ENERGIA NA IND ... - Nest - Unifei

CURSO CURSO CURSO INTERNACIONAL
INTERNACIONAL
“ENERGIA ENERGIA NA IND INDÚSTRIA IND
STRIA DE
DE
AÇÚ ÇÚ ÇÚCAR CAR E E E ÁLCOOL LCOOL LCOOL” LCOOL
Combustión y Calderas
Dr. Electo Silva Lora
NEST/UNIFEI

CONFERENCIA
Combustión y
Calderas
El Programa SBC

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-
QUÍMICAS DEL BAGAZO DE
CAÑA

Principales características físicoquímicas
del bagazo de caña:
- Composición química elemental
- Composición aproximada
- Poder calorífico.
- Composición granulométrica.
- Composición y características de
fusibilidad de las cenizas.
- Características morfológicas

Determina la posibilidad de que ocurra deposición de cenizas sobre
las superficies de calentamiento y formación de escorias

Composición
granulométrica

COMBUSTIÓN DEL
BAGAZO

Etapas del proceso de combustión
Secado;
Emisión de volátiles;
Ignición de los volátiles;
Quema de los volátiles en la
llama;
Extinción de la llama de los
volátiles;
Combustión del residuo de coque.

1000
800
600
400
200
0
o C
secagem
combustão dos
voláteis
emissão dos
voláteis
ignição dos
voláteis
combustão do
coque
extinção da
chama
0% 20% 40% 60% 80% 100%
fração consum ida

Combustión incompleta
- Causada por insuficiencia de aire
- Presencia de CO, H2 y CH4 en los gases de
combustión;
- Presencia de partículas con fracción
considerable de carbono no quemado (hollín o
“humo negro”);

GENERALIDADES SOBRE
- Clasificación
- Eficiencia y balance termico
CALDERAS

Clasificación de las calderas a
vapor
Aplicación principal;
Disposición relativa de los gases y del
fluido de trabajo;
Fuerza motriz para circulación del fluido
de trabajo;
Nivel de presión de operación;
Tipo de combustible o fuente de calor;
Tecnología de combustión;
Tiro de aire y gases de combustión;
Disposición del horno y superficies de
calentamiento

Desarrollo
histórico

Esquema de uma caldera para bagazo

Tipos de calderas para bagazo

BALANCE TÉRMICO DE
CALDERAS

Effc
75%
q4
4%
q5
2%
q3
4%
q2
15%

CALDERAS PARA BAGAZO

Calderas de tubos retos

Caldera convectiva de dos domos (Caldema)

Caldera APU-70-7GI-PSE
(CALDEMA, 2002)
Los parámetros: 210 t/h; 66
kgf/cm2; 520 oC. Trata-se de
una caldera suspensa o colgada
con parrilla pinhole con 7
secciones de parrilla. Posee
sobrecalentador primario y
secundario; único pase en el haz
convectivo; calentadores de aire
primario secundario;
economizador aletado.

ALIMENTADORES
Alimentador de dos cilindros

Alimentador de tres cilindros

DISTRIBUIDORES

CONJUNTO
ALIMENTADOR
/
DISTRIBUIDOR

Parrillas
En las calderas para bagazo
modernas se utilizan los siguientes
tipos de parrillas:
Parrilla basculante;
Parrilla viajera;
Parrilla inclinada enfriada tipo
“Pinhole“.

La parrilla viajera desarrollada por Alstom/John Thompson ha
sido probada como la mejor opción para quema de carbón,
como prueba su superior performance en decenas de calderas
trabajando ha mas de veinte años en Ingenios de Sudáfrica y
otros países del continente. La experiencia de Alstom/John
Thompson es llave para el suministro de un equipo confiable y
con bajos costos de manutención

La parrilla “pin-hole” ha sido probada como la mejor opción para
quema de bagazo de caña en Centrales Térmicas, donde si requiere
un sistema de limpieza de cenizas sin ninguna caida de presión o
reducción de producción de vapor. La limpieza es automática, a
través de válvulas neumáticas. Los tiempos de limpieza y intervalos
pueden ser controlados según las condiciones de ceniza de cada
cliente. El diseño ha reducido mucho los costos de manutención, por
no haber piezas móviles y por los desarrollos en el diseño de los
“nozzles”.

Presentan las siguientes
ventajas:
- Alta disponibilidad.
- Bajo costo de mantenimiento.
- Alta eficiencia de operación.
- Capacidad de soportar grandes
variaciones en la granulometría,
contenido de cenizas y humedad
del combustible.
- Permite la quema de
combustibles auxiliares o
alternativos.
- Capacidad adecuada para las
calderas industriales existentes.
- Fácil de instalar por
remodelación.
Parrillas vibratórias

PANTALLAS DE TUBOS
- de tubos espaciados;
- de tubos tangentes;
- de tubos aletados; e
- de tubos con membranas.

Tipos de atemperadores

Atemperadores de las
calderas
fabricadas por
Caldema

Fabricantes brasileños de calderas : EQUIPALCOOL

Fabricantes brasileños de calderas : HPB/SERMATEC

Fabricantes brasileños de calderas : CALDEMA

Fabricantes brasileños de calderas : CALDEMA

Parámetros que influyen
sobre el desempeño de las
calderas a bagazo:
- Humedad del bagazo
- Carga de la caldera
- Exceso de aire.

Características estáticas de la
caldera RETAL
(Barroso et al, 2003)

Influencia de la
humedad del bagazo sobre
el desempeño de la caldera

DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA
STEAM BOILER CALCULATIONS –
SBC.
O programa Steam Boiler Calculations (SBC) permite a
realização dos cálculos térmico e aerodinâmico de
caldeira de circulação natural com capacidade entre
20 e 900 ton/h que utiliza combustível sólido. Com
a ajuda do programa é possível:
- Projetar novas caldeiras
- Otimizar o esquema térmico e aerodinâmico da
caldeira
- Pesquisar os regimes de operação da caldeira em
cargas parciais
- Selecionar o soprador e o exaustor
- Elaborar dados de testes de desempenho

Determinación de la temperatura optima de los
gases de escape
para aplicaciones de cogeneración
Caldera original Caldera modificada

Eficiencia en calderas
82-83%
para bagazo
Potencial de aumento de eficiencia por
reducción de la temperatura de los gases de
escape, actualmente ~ 220 °C.
Otra forma de mejorar la eficiencia es el uso
de sistemas de combustión más eficientes.
Aumento de la eficiencia en 1-2% como
consecuencia de la disminución de los
inquemados sólidos.

Abordajes del problema
Considerado el costo incremental anual de
operación de la caldera (abordaje I)
Comercialización del excedente de electricidad
(abordaje II).
Estos resultados dan respuesta a la
pregunta sobre cual seria la meta de
eficiencia para las calderas a bagazo
acopladas a sistemas de la cogeneración
modernos, lo que constituye el objetivo
principal de este trabajo.

Software utilizado
Modelación de la caldera : software SBC
– Steam Boilers Calculations elaborado
por el Núcleo de Excelencia en
Generación Termoeléctrica y Distribuida
- NEST– UNIFEI.
Cálculo del sistema de cogeneración:
software Gate-Cycle versión 5.51.0r (GE
Entersoftware).

Vista lateral de la caldera APU-50
utilizada como referencia en los cálculos

Esquema de la caldera APU 50 implementado
en la pantalla del SBC

Esquema de disposición de las
superficies de calentamiento

Cuatro grupos de opciones de modificación
constructiva de la caldera fueron analizados. En cada
uno de los casos la reducción de la temperatura de los
gases se logra aumentando la superficie
economizadora, comprendiendo un total de 24 casos
de cálculo. Los cuatro grupos de modificaciones
constructivas son:
Opción A - Casos 1-6: con una etapa adicional de
calentamiento del aire después del economizador (1
m de altura y 519 m2 de superficie);
Opción B - Casos 7-12: con una etapa adicional de
calentamiento del aire después del economizador (1,5
m de altura y 779 m2 de superficie);
Opción C - Casos 13-18: con una etapa adicional de
calentamiento del aire después del economizador (2
m de altura y 1038 m2 de superficie);
Opción D - Casos 19-24: Sin calentador de aire

ABORDAJE ABORDAJE I
I
El valor mínimo de los costos de operación anuales es calculado
considerando la reducción en el consumo de combustible, y el
aumento en la inversión como consecuencia de la reducción de la
temperatura de los gases de escape.
Se supone que el bagazo se compra a un costo que corresponde a su
propio precio de mercado que es aproximadamente 5-7 US$/t (15-21
R$/t).
El aumento del costo del fuel-oil conjuntamente con recientes
inversiones en plantas de cogeneración, ha provocado el aumento del
precio de mercado actual del bagazo hasta 30 R$/t.
Este valor todavía es menor que el precio calculado de acuerdo con el
equivalente energético del fuel-oil, que atendiendo a los valores
actuales del precio de este combustible debe ser de aproximadamente
120-150 R$/t.
El costo incremental anual de operación de la caldera Z está
compuesto por la inversión adicional anualizada en superficies
convectivas (considerado la amortización y la tasa interés) y la
reducción en los gastos anuales de combustible, tomando como
referencia la versión original de la caldera

ABORDAJE ABORDAJE II
II
La viabilidad técnico-económica de las
modificaciones en la caldera está determinada en
base a la ganancia adicional obtenida por la venta
del excedente de la electricidad.
La turbina siempre genera la misma potencia porque
la cantidad de vapor generada es la misma.
Entonces, fue considerado que el bagazo
“economizado” se usaría para la generación de
electricidad durante algunas horas en el periodo de
entrezafra.
La tabla 1 muestra que los datos adoptados con
respecto a la valoración técnico-económica para
ambos abordajes.

DATOS PARA LA EVALUACION TECNICO-ECONOMICA

Esquema térmico de la planta de cogeneración
con los resultados obtenidos
utilizando el software Gate-Cycle.

Variación en el consumo de combustible en la
caldera y en la potencia consumida por los
ventiladores de tiro inducido y forzado en relación
con la temperatura de los gases de escape

Relación entre la eficiencia de la caldera
y la temperatura de los gases de escape

RESULTADOS
ABORDAJE I
Dependencia del costo anual de
operación de la caldera con la
temperatura de los gases de escape de
la caldera para un precio del
combustible de 30 R$/t

Dependencia entre la temperatura
optima de los gases de escape
de la caldera y el precio do bagazo

RESULTADOS
ABORDAJE II
Relación entre el VPN y
la temperatura de los gases de escape
para cuatro opciones de modificación
constructiva y un precio de comercialización
de la electricidad excedente de 120 R$/MWh

Relación entre el VPN y la temperatura de los
gases de escape para diferentes precios de
comercialización de la electricidad excedente

CONCLUSIONES
Cada 10 °C de reducción en la temperatura de los
gases de escape corresponde a un aumento de
0.7% en la eficiencia de la caldera;
El valor optimo de la temperatura de los gases de
escape obtenido a partir del análisis basado en el
costo anual de operación de la caldera (abordaje
I) para un precio de mercado del bagazo de 30
R$/t corresponde a 155 °C;
El valor de la temperatura de los gases de escape
obtenido del análisis que utiliza el precio de
comercialización del excedente de la electricidad
(abordaje II) es de aproximadamente 120-130 °C;

CONCLUSIONES
La diferencia entre el precio de mercado del bagazo y
el precio del fuel-oil equivalente hace que los
resultados obtenidos utilizando el abordaje I sean
menos confiables que los obtenidos utilizando el
abordaje II.
El valor óptimo de la temperatura de escape de los
gases obtenidos por el abordaje II es menor que el
actualmente adoptado por los fabricantes Brasileños de
calderas, que es de aproximadamente 160 °C,
mostrando la existencia de un potencial de aumento de
la eficiencia de calderas que operan en centrales de
cogeneración con expresiva generación de excedentes