1

Calderas a Bagazo Proyecto, operación y mantenimiento

Carlos O. Alderetes 2015 – Argentina

2

PROLOGO

Los generadores de vapor en la industria azucarera son equipos críticos, pues proveen tanto la energía térmica para el proceso, como la potencia necesaria para el accionamiento de los equipos y maquinarias involucrados. Sirven también, para generar y suministrar energía sobrante a la red pública, produciendo nuevos ingresos por este servicio a través de la cogeneración Considerando que hay más de 1000 ingenios azucareros alrededor del mundo y teniendo en cuenta la cantidad de generadores de vapor instalados en cada uno de ellos, puede decirse que la industria azucarera sea tal vez entre las industrias, la de mayor demanda de calderas industriales A nivel global puede estimarse entonces que existen más de 3000 calderas instaladas, y a modo de ejemplo, citaremos que solamente en los ingenios del Estado de San PabloBrasil, hubo censadas en el año 2009 unas 480 calderas, sin contar las que estaban en fase de montaje y en proyectos a implementarse. Es difícil encontrar otra industria que concentre tantos generadores de vapor en su actividad Por otro lado, el creciente interés y desarrollo de la cogeneración en la industria, trajo dos hechos importantes. Por un lado, importantes inversiones en calderas de gran capacidad y eficiencia, con elevadas presiones y temperaturas de trabajo. Y por el otro, un replanteo integral de las prácticas operacionales y de mantenimiento, sostenidas hasta el momento, con calderas tradicionales de baja presión y eficiencia También sumándose a estos cambios, ya están en marcha en Brasil las primeras calderas de un solo domo (monodrum) y las de lecho fluidizado que introducen una nueva tecnología e innovación en este campo, con capacidades y condiciones de trabajo nunca antes visto, salvo en las centrales termoeléctricas Por lo anterior, cobra gran importancia el conocimiento, manejo e implementación de las buenas prácticas establecidas en los códigos y normas internacionales para calderas, tales como, los de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), del National Board Inspector Code (NBIC), EPRI (Energy Power Research Institute) o las del Comité Europeo de Normalización (CEN), como también la adopción de nuevas técnicas en el campo del conocimiento que posibilitan un manejo más responsable y eficiente de este equipamiento Nuevos conocimientos sobre las propiedades del bagazo, sumados a la aparición de herramientas computacionales de cálculo, diseño y simulación tales CFD (Computational Fuid Dynamics), FEM (Finite Element Method), más un importante avance tecnológico en las áreas de la instrumentación-control automático, en técnicas no destructivas (NDT) de inspección, mantenimiento, etc. han ocasionado un verdadero proceso de modernización nunca antes visto en este campo.

3 Con relación al uso de estas modernas herramientas computacionales, caben destacarse los trabajos del Sugar Research Institute (SRI) de Australia, que lideran las investigaciones en el campo de la generación de vapor con bagazo conducidas por el Dr.Terry Dixon y sus colaboradores La importancia de estos equipos, sumada al hecho de que varios de los textos sobre calderas han sido más bien descriptivos, con escasos cálculos, pocas aplicaciones y estar además en algunos casos desactualizados, han motivado el propósito de escribir un libro práctico destinado exclusivamente a las calderas que operan con bagazo y que integre las herramientas antes citadas Este libro que pretende ser práctico, actualizado e integral, está dirigido a los profesionales y técnicos de la industria azucarera que deben operan con dichos equipos y enfrentar en su quehacer diario situaciones de distinta naturaleza, al mismo tiempo de aportar a la difusión de las mejoras prácticas de ingeniería en este campo. También está dirigido a los estudiantes de ingeniería que desean actuar en dicha industria El libro tiene desarrollado en cada capitulo, ejemplos de cálculos térmicos y mecánicos basados en los mejores estándares de ingeniería, para ejemplificar los conceptos y brindar las herramientas que posibiliten un mejor análisis de los problemas. Como en todo trabajo de esta naturaleza y a pesar del cuidado puesto, puede haberse escapado algún error y pedimos disculpas por ello Quisiera agradecer a la firma Caldema Equipamientos Industriales Ltda de Brasil que permitió la reproducción de algunas figuras de sus equipos, ayudando así a mejorar la ilustración gráfica y presentación de los mismos Finalmente, es un deseo que este libro sea usado en las oficinas técnicas de los ingenios azucareros de Latinoamérica y que se constituya en un auxiliar permanente por parte de quienes deben tratar con las calderas

Carlos Alderetes Argentina – 2015 [email protected]

4

INDICE GENERAL Capítulo Nº1 1.0 La Industria azucarera mundial 1.1 La Industria azucarera argentina 1.2 Referencias Capítulo Nº2 2.0 Balance termo energético 2.1 Cogeneración 2.2 Optimización energética - Exergía 2.3 Referencias Capítulo Nº3 3.0 Biomasa 3.1 Producción y manejo del bagazo 3.2 Propiedades físicas del bagazo 3.3 Residuos de cosecha cañera – RAC 3.4 Composición química del bagazo y RAC 3.5 Composición mineral del bagazo 3.6 Poder calorífico del bagazo y RAC 3.7 Efecto de las cenizas sobre el poder calorífico 3.8 Combustibles adicionales 3.9 Exergía de los combustibles 3.10 Referencias Capítulo Nº4 4.0 Combustión del bagazo 4.1 Estática de la combustión 4.2 Balance de masas 4.3 Exceso de aire 4.4 Combustión incompleta 4.5 Residuos de la combustión 4.6 Acción de las cenizas 4.7 Dinámica de la combustión 4.8 Tiempo de quemado de las partículas 4.9 Aire primario y secundario 4.10 Balance de energía en la combustión 4.11 Temperatura teórica o máxima de combustión 4.12 Pérdidas energéticas en la combustión 4.13 Pérdida de exergía en la combustión 4.14 Referencias Capítulo Nº5 5.0 Generación de vapor

Páginas 15 16 17 20 21 26 26 29 30 39 45 47 50 51 53 54 55 58 62 62 64 66 70 75 79 84 86 88 92 97 100 102 106 109

5 5.1 Clasificación de las calderas 5.2 Calderas de diseño tradicional 5.3 Calderas de un solo domo (monodrum) 5.4 Calderas de lecho fluidizado (CFB) 5.2 Parámetros de diseño y performance 5.3 Demanda de vapor y energía 5.4 Selección de las condiciones de operación 5.5 Selección de capacidad y cantidad de equipos 5.6 Referencias 5.7 Website Capítulo Nº6 6.0 Calidad de agua y vapor 6.1 Agua de alimentación 6.2 Parámetros fisicoquímicos del agua 6.3 Requerimientos de calidad de agua 6.4 Calidad de vapor 6.5 Parámetros de control de agua 6.6 Tratamiento del agua 6.7 Purgas de la caldera 6.8 Ciclos de concentración 6.9 Análisis energético del purgado 6.10 Desgasificación térmica 6.11 Capacidad del tanque de agua de alimentación 6.12 Capacidad del sistema de bombeo 6.13 Referencias Capítulo Nº7 7.0 Selección de materiales 7.1 Especificación de los materiales 7.2 Resistencia mecánica de los aceros. Creep 7.3 Parámetro de Larson & Miller 7.4 Aceros para calderas según ASME I y II 7.5 Resistencia a la fatiga 7.6 Materiales de soldadura 7.7 Aceros para cañerías de vapor 7.8 Materiales refractarios 7.9 Instalación de materiales refractarios 7.10 Referencias 7.11 Website Capítulo Nº8 8.0 Proyecto del generador de vapor 8.1 Mecánica de fluidos computacional CFD 8.2 Referencias Capítulo Nº9

113 114 117 119 122 125 129 131 134 136 137 137 143 143 150 152 154 157 159 161 162 164 174 176 177 178 180 187 191 194 196 198 202 208 210 211 213 217 210

6 9.0 Diseño térmico del generador de vapor 9.1 Proyecto del hogar 9.2 Transferencia de calor en el hogar 9.3 Propiedades de la radiación 9.4 La superficie radiante 9.5 Referencias Capítulo Nº10 10.0 Diseño térmico del hogar 10.1 Balance energético del hogar 10.2 Modelo de Konakov 10.3 Método normativo ruso 10.4 Parámetros de diseño del hogar 10.5 Temperatura de salida del hogar 10.5 La geometría del hogar 10.6 Cálculo del hogar según método estándar ruso 10.7 Radiación en cavidades 10.8 Construcción y componentes del hogar 10.9 Referencias 10.10 Website Capítulo Nº11 11.0 Banco de convección 11.1 Tubos pantallas (Screen) 11.2 Banco de convección - Arreglos 11.3 Dimensionado del banco convectivo 11.4 Referencias Capítulo Nº12 12.0 Circulación natural del agua 12.1 Objetivos de la circulación 12.2 Parámetros de la circulación natural 12.3 Requisitos de la circulación 12.4 La circulación en calderas a bagazo 12.5 Cálculos de circulación en calderas 12.6 Separación del sistema agua-vapor ( domos) 12.7 Factores que afectan la separación 12.8 Dimensionado de los domos 12.9 Selección de materiales para el domo 12.10 Diseño mecánico del domo 12.11 Referencias Capítulo Nº13 13.0 Sobrecalentamiento del vapor 13.1 Proyecto del sobrecalentador 13.2 Factores que afectan al sobrecalentamiento 13.3 Tipos de sobrecalentadores

221 222 226 231 248 257 261 261 262 265 268 271 279 285 290 291 305 307 308 310 311 313 316 318 321 323 329 333 334 341 345 347 352 353 356 359 360 361 363

7 13.4 Disposición de los sobrecalentadores. 13.5 Materiales para sobrecalentadores 13.6 Diseño mecánico 13.7 Soportes y colectores de serpentines 13.8 Flujo de fluidos en el sobrecalentador 13.9 Diseño térmico del sobrecalentador 13.10 Regulación del sobrecalentamiento 13.11 Referencias Capítulo Nº14 14.0 Economizador 14.1 Temperatura de precalentamiento del agua 14.2 Instalación de economizadores 14.3 Tipo y construcción de economizadores 14.4 Cálculo del economizador 14.5 Coeficiente total de transmisión del calor 14.6 Pre dimensionado de un economizador 14.7 Operación del economizador 14.8 Referencias Capítulo Nº15 15.0 Pre calentadores de aire 15.1 Temperaturas y etapas de precalentamiento 15.2 Disposición de aire y gases 15.3 Construcción del pre calentador de aire 15.4 Flujo de fluidos y transferencia de calor 15.5 Dimensionado del pre calentador de aire 15.6 Precalentamiento del aire en la combustión 15.7 Cálculo del pre calentador de aire 15.8 Optimizando el desempeño del calentador 15.9 Ensayo de performance según ASME PTC4.3 15.10 Referencias Capítulo Nº16 16.0 Secado del bagazo 16.1 Beneficios del secado de bagazo 16.2 Balance de masas y energía en el secador 16.3 Tipos de secadores 16.4 Referencias. Capítulo Nº17 17.0 Manejo de gases y cenizas 17.1 Flujo de fluidos y pérdida de carga 17.2 Selección de ventiladores 17.3 Regulación de ventiladores 17.4 Control y ensayos de ventiladores 17.5 Cálculo de la chimenea

365 367 370 373 375 379 397 401 404 405 407 408 411 413 414 420 420 422 423 424 425 426 427 428 429 435 437 441 443 443 445 447 452 455 457 462 467 469 470

8 17.6 Contaminación ambiental 17.7 Limpieza de gases 17.8 Diseño de equipos separadores de partículas 17.9 Recolección de cenizas 17.10 Referencias 17.11 Website Capítulo Nº18 18.0 Sistemas de control 18.1 Sistemas de control en la caldera 18.2 Sistema de control de nivel 18.3 Instalación del sistema de control de nivel 18.4 Sistema de control de la demanda 18.5 Sistema de control de temperatura 18.6 Sistema de control de la combustión 18.7 Sistema de control de tiro 18.8 Referencias 18.9 Website Capítulo Nº19 19.0 Operación de la caldera 19.1 Secado de la mampostería en calderas nuevas 19.2 Controles pre-operacionales 19.3 Arranque en frío y levantamiento de presión 19.4 Arranque en caliente (hot start) 19.5 Marcha normal 19.6 Parada normal 19.7 Paradas de emergencia 19.8 Tensiones térmicas en la puesta en marcha 19.9 Referencias 19.20 Website Capítulo Nº20 20.0 Ensayos de performance 20.1 Códigos de ensayos de performance ASME PTC 20.2 Ensayo de performance ASME PTC4-2013 20.3 Pretest de comprobación 20.4 Objetivos de un ensayo de recepción 20.5 Métodos de ensayos 20.6 Duración, operaciones y registro del ensayo 20.7 Valoración de las pérdidas de energía 20.8 Resultados y análisis de incertidumbre 20.9 Ejecución del ensayo de calderas 20.10 Cálculo de las pérdidas de energía 20.11 Mediciones e instrumentos 20.12 Análisis exergético y test de performance

474 477 478 490 492 495 496 497 499 502 504 505 506 508 510 511 512 512 513 515 517 517 518 519 520 526 528 529 530 531 534 535 536 539 540 543 545 561 564 565

9 20.13 Referencias Capítulo Nº21 21.0 Mantenimiento 21.1 Mecanismos de desgaste y tipos de fallas 21.2 Objetivos del mantenimiento e indicadores 21.3 Organización del mantenimiento 21.4 Técnicas del mantenimiento 21.5 Erosión de las cenizas 21.6 Control de espesores 21.7 Protección contra el desgaste 21.8 Fallas por sobrecalentamiento 21.9 Réplicas metalográficas 21.10 Extensión de vida útil según EPRI 21.11 Mediciones de temperatura en el metal 21.12 Prueba hidrostática 21.13 Tratamiento pre-operacional 21-14 Reparaciones y alteraciones 21.15 Reemplazo y reparación de tubos 21.16 Dispositivos de alivio de presión 21.17. Sopladores de hollín 21.18 Reparación de domos 21.19 Mantenimiento predictivo de equipos rotantes 21.20 Conservación en la interzafra (lay-up) 21.21 Limpieza química 21.22 Referencias 21.23 Website Capítulo Nº22 22.0 Montaje de calderas 22.1 Organización del montaje 22.2 La curva S del proyecto 22.3 Composición del peso de una caldera 22.4 Referencias

568 571 572 575 578 579 581 587 589 590 591 593 598 599 600 603 604 610 616 621 622 624 627 628 632 633 633 628 630 643

Ejemplos:

el libro tiene desarrollado más de 80 ejercicios de aplicación resueltos, con cálculos en los diversos capítulos, ilustrando las aplicaciones y tiene más de 300 referencias bibliográficas especializadas. Como material complementario acompañan al libro planillas en Excel para la resolución de balances de masas y energía

Website:

También contiene decenas de links a empresas fabricantes y de servicios relacionadas con la generación de vapor

Adquisición: solicitar información a: [email protected]