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Combustión y CalderasDr. Electo Silva Lora

NEST/UNIFEI

CONFERENCIA

Combustión y Calderas

El Programa SBC

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DEL BAGAZO DE

CAÑA

Principales características físico-químicas 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 sobrelas superficies de calentamiento y formación de escorias

Composicióngranulométrica

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.

0

200

400

600

800

1000

0% 20% 40% 60% 80% 100%fração consum ida

oC

secagem

emissão dosvoláteis

ignição dosvoláteis

com bustão dosvoláteis

com bustão docoque

extinção dacham a

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 CALDERAS

- Clasificación- Eficiencia y balance termico

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

Desarrollohistórico

Esquema de uma caldera para bagazo

Tipos de calderas para bagazo

BALANCE TÉRMICO DE CALDERAS

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Effc75%

q44%

q52%q3

4%

q215%

CALDERAS PARA BAGAZO

Calderas de tubos retos

Caldera convectiva de dos domos (Caldema)

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.

Caldera APU-70-7GI-PSE(CALDEMA, 2002)

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/JohnThompson 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 requiereun 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 lascalderas

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 lacaldera 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 losgases de escape

para aplicaciones de cogeneración

Caldera original Caldera modificada

Eficiencia en calderas para bagazo

! 82-83%

! 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 después del economizador

ABORDAJE IABORDAJE IABORDAJE IABORDAJE 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 IIABORDAJE IIABORDAJE IIABORDAJE 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

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

RESULTADOSABORDAJE I

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

RESULTADOSABORDAJE II

Relación entre el VPN y la temperatura de los gases de escape para cuatro opciones de modificación constructiva y un precio de comercializaciónde 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 de electricidad