CIBO Energy Efficiency Handbook


Bootstrap Case

Council of Industrial Boiler Owners (CIBO), November 1997

Este Manual de Eficiencia Energética se preparó para ayudar a los propietarios y operadores de sistemas de calderas para obtener el mejor rendimiento  y ahorro energético en su instalación. Este manual da información y consejos útiles de operación de casi todos los aspectos del funcionamiento de la caldera  empezando  por el tratamiento del agua , pasando por la combustión y por la recuperación , de calor en la chimenea, e incluyendo tratamiento de gases de escape y Cogeneración .

Consumidores

Los consumidores de vapor está muy extendido en la industria. Existen en diversos tipo industrias que consument vapor y en cada planta diversos tipos de equipos o sistemas que consumen vapor. Los consumidores se pueden agrupar en función de si el vapor puede o no recuperar en forma de condensado. Consumidores que permiten recuperar le condensado después de utilizarlo. Algunos de los cuales son.
  • Intercambiadores de vapor: para calentar fluidos de proceso.
  • Baterías de aire acondicionado:
  • Calentadores de depósitos de agua caliente:
  • Calentadores de secadores cilindricos, en la indústris textil y del papel.
  • Prensas: para moldeado de plásticos, polvo
  • Traceados de vapor, para calentar equipos y tuberías
  • Turbinas de vapor, utilizados para mover equipos rotativos en lugar de motores eléctricos.
  • Autoclave o depósitos encamisado
Consumido por el proceso, sin poder recuperar en condensado:
  • Vapor de arrastre en Columnas de destilación
  • Herramientas pneumáticas
  • Mantenimiento y limpieza

Hemos encontrado otras ideas de ahorro para este equipo:

-Reemplazar motores eléctricos por turbinas de vapor

Instalar turbinas de vapor que utilizan vapor para mover equipos estáticos, en substitución de los motores eléctricos. Estas turbinas se utilizan en equipos que requieren motores de gran potencia.


-Instalar Enfriadores de Absorción

Los enfriadores de absorción permiten utilizar un vapor o calor residual en lugar de consumir electricidad para producir frío


-Evitar entrada de aire en los consumidores de vapor.

Otras ideas:

Sistema de Vapor

Se estima que hay un potencial de un 12.5% de ahorro de fuel en sistemas para generar vapor. Algunas de estas medidas de ahorro no requieren inversión. Para estas el tiempo de retorno de la inversión puede variar entre 2 y 34 meses. Desde el punto de vista energético el vapor se utiliza como medio para transmitir calor a los usuarios. El calor que se forma por la combustión de Fuel en las calderas se utiliza para vaporizar el agua y formar vapor. El vapor almacena una gran cantidad de calor el cual se puede conducir fácilmente hasta los usuarios, incluso los situados a bastante distancia de las calderas. El vapor puede tener distintos usos, pero el más habitual para aportar calor, condensando en los usuarios y liberando el calor de condensación. El condensado de de vapor generado se podrá retornar a la caldera par a volver a formar vapor Otros posibles usos del vapor son: - Como fuerza motriz, para mover equipos rotativo reemplazando a los motores eléctricos. - Generar electricidad en las turbinas. - Sistema de calefacción o HVAC. - Utilizando directamente al proceso, por ejemplo columnas de stripping, secadores, apagadores de emergencia de hornos, etc. Estas aplicaciones no permiten recuperar el condensado. - Como fluido de limpieza para mantenimiento de maquinaria. (Balance de vapor) Todos los elementos del sistema de vapor pueden tener ineficiencias que pueden provocar pérdidas de energía y resultar en oportunidades de ahorro o eficiencia energética. Los siguientes elementos forman parte del sistema de vapor. Entender estos elementos desde el punto de vista energético ayuda a identificar oportunidades de ahorro energético

Caldera de Vapor

Las calderas de vapor son hornos diseñados específicamente para generar el vapor que se va a utilizar como servicio en la planta. A la caldera se alimenta agua desmineralizada que se hace pasar por unas tuberías de intercambio de calor en el interior del horno, donde el agua se vaporiza. Existen dos sistemas de circulación de agua dentro del horno, la zona de radiacción donde se aprovecha la energía de radiación producida durante la combustión y la zona de convección, donde se aprovecha el calor de los gases de combustión a elevada temperatura. Una caldera eficiente es aquella que aprovecha la mayor parte del calor de combustión maximizando la generación de vapor. En una caldera eficiente la temperatura de los gases de escape es lo más baja posible y las pérdidas de calor al exterior son mínimas.

 Purga de las calderas (Blowdown)

Parte del agua del circuito vapor / condensado hay que purgarla de forma continua para evita que se acumulen sales que puedan precipitar en los tubos del horno y hagan perder eficiencia al horno. Además de la purga continua, hay una purga intermitente en el circuito del propio horno. Desde el punto de vista energético esta purga supone una pérdida de calor, puesto que estamos purgando condensado a temperatura. Sin embargo, por otro lado esta purga permite que no se reduzca la eficiencia del horno, y se traduce en evitar que aumente el consumo de combustible.

Desaireador

El desaireador se diseña para eliminar el oxígeno  y el CO2 disuelto del agua de alimentación a la caldera.  Ambos gases son corrosivos, pueden atacar los metales que toman contacto con el agua de alimentación de la caldera principalmente en las zonas a alta temperatura y reducir el rendimiento de la caldera.El desaireador utiliza vapor de baja presión para arrastrar gran parte de los gases disueltos en el agua y los elimina por el venteo del desaireador.  Para para eliminar las trazas de oxigeno se utilizan además  aditivos químicos . Los principales motivos para instalar un  desaireador son: Ahorro energético:
  • Reduce la cantidad de químicos necesarios. La adicción de químicos requiere purgar el agua. Reducir y elminar estos químicos reduce la purga.
Otros:
  • Cuando se quiere utilizar el vapor directamente en  el proceso tiene que estár libre de potenciales contaminantes para el proceso. Al reducir la adición de químicos no se  contamina el vapor.
  • Reducir el nivel de oxígeno al mínimo, sin utilizar químicos. Esto elimina la corrosión del agua de caldera.
  • Económicamente más rentable que utilizar químicos. Tanto más importante cuanto mayor sea la presión de vapor generado por la caldera y mayores los requerimientos de calidad del agua.

Agua de aporte

El agua de aporte repone en el circuito de vapor/ condensado de las pérdidas: - Purgas o Blowdown. - Pérdidas de vapor o condensado al exterior - Consumos de vapor, que no recuperar y retornan el condensado al circuito. No se puede utilizar cualquier tipo de agua. El agua de aporte debe estar desmineralizada, libre de sales, para evitar precipitación de sales en el circuito.

Bombas de alta presión

Las bombas de alta presión alimentan el agua del desaireador a la caldera. Estas bombas tienen que aumentar la presión del agua hasta la presión a la que se forma el vapor en la caldera, por lo que tienen un importante consumo eléctrico.  

Distribución del Vapor

El vapor se distribuye desde la caldera a los consumidores, mediante tuberías, por redes de distribución. En la caldera se produce vapor de muy alta presión. Los consumidores necesitan distintos niveles de temperatura del vapor, para ello se definen uno o varios sistemas de distribución del vapor, a distintas presión y temperatura.  Cada sistema de distribución alimentará a varios consumidores con requerimientos similares de presión y temperatura. Antes de distribuir el vapor en los consumidores se reduce a la presión de suministro en cada una de las redes de distribución del vapor, en las estaciones de laminación. La pérdida de calor de las tuberías con el exterior provoca que parte del vapor condense en el interior de las tuberías. Este condensado hay que eliminarlo para evitar problemas de golpes de ariete, esto se realiza utilizando trampas de vapor. Dependiendo de la longitud de las tuberías de distribución de vapor se instalan varias trampas a lo largo de todo el recorrido.

Laminación de vapor

Los sistemas de distribución de vapor pueden tener circuitos de vapor a diferente presiones y temperaturas. En la caldera se produce vapor de muy alta presión. Los consumidores necesitan distintos niveles de temperatura del vapor, para ello se definen uno o varios sistemas de distribución del vapor, a distintas presión y temperatura.  Cada sistema de distribución alimentará a varios consumidores con requerimientos similares de presión y temperatura. Antes de distribuir el vapor en los consumidores se reduce a la presión de suministro en cada una de las redes de distribución del vapor, en las estaciones de laminación. Las primera estación de laminación reduce la presión del vapor de mayor presión, el que viene directamente de la caldera a la presión de la siguiente red de distribución con inferior presión. Por ejemplo desde el nivel de muy alta presión al de presión de alta. Si existe un tercer nivel de presión, por ejemplo presión de mediase instala otra estación de laminación que reduzca la presión de la red vapor de alta presión a la de vapor de media presión. Los sistemas de laminación de vapor reducen la presión del vapor de más presión al requerido por cada circuito. Energéticamente estos sistemas son ineficientes. Transforman vapor de mayor poder energético en vapor de menor poder energético. La válvula de vapor que utilizan pierde gran parte de este poder energético. Las estaciones de laminación reducen la energía útil del vapor (llamada exergía), puesto que transforman un vapor de más alta presión, con mayor temperatura en otro de menor presión o temperatura. En esta transformación se desaprovecha parte de la energía del vapor de más alta presión sin obtener un beneficio a cambio. Para entender el concepto de exergía, si intentamos generar electricidad a partir del vapor instalando una turbina, se producirá mayor cantidad del vapor de mayor presión. Reducir la presión del vapor no reduce significativamente la cantidad de calor que se puede aprovechar cuando se utiliza este vapor para calentar, si en cambio se reduce significativamente la capacidad de generar electricidad o de utilizar este vapor para calentar un fluido a mayor temperatura. Se instalan redes a distintas presiones para abaratar los equipos que trabajan a menor temperatura. Y requieren vapor de presión inferior.

Atemperadores

Las estaciones de laminación producen vapor sobrecalentado. Para aumentar la producción de vapor y mejorar el funcionamiento de los intercambiadores de calor se instalan atemperadores que inyectan agua desmineralizada en las líneas de vapor para saturar el vapor.

Recuperación del condensado

El condensado que se forma en los consumidores se recoge en redes de recogida de condensado. Normalmente trabajan a presión y descargan el condensado es depósitos separadores líquido vapor, también llamado recuperadores de vapor. El condensado desde los consumidores se despresuriza parcialmente antes de alimentar a la red de recogida de condensado. Al despresurizarse parte del condensado se transforma de vapor. Los Depósitos de flaseo o de recuperación de vapor son separadores de gar líquido que recogen los condensados y recuperan el vapor formado. Dependiendo de la presión a la que trabajan pueden formar vapor de distinta presión. Normalmente el condensado de un vapor de presión superior descarga aun depósito que trabaja a la de vapor de la red de menor presión, permitiendo conectar el vapor generado a esta red de menor presión.

Bombas de condensado

Las bombas de condensado recuperan el condensado para alimentarlo de nuevo al desaireador desde donde se alimentará a la caldera. La recuperación y bombeo de condensados permite recuperar parte del calor sensible del condensado. Reduce también la cantidad de agua desmineralizada que habría que aportar al desaireador para mantener el balance de agua en sistema de vapor. El agua desmineraliza está más fría que el condensado y el calor para calentar esta agua en lugar del condensado requeriría un aumento de consumo de fuel en la caldera.

Depósitos de recuperación del condensado

Los depósitos de recuperación de condensado, o depósitos de flasheo, recogen el condensado formado por los consumidores y el formado al condensado el vapor en el circuito de distribución. Estos depósitos separan y recuperan el vapor que se ha formado al despresurizarse el condensado. Estos depósitos trabajan a la presión de la red de vapor de inferior presión y alimentan el vapor formado a esta red de distribución. Por ejemplo un vapor de media presión de 10 barg produce condensado que se recoge el un depósito de condensado que trabaja a la presión del vapor de la red de baja presión de 5 barg, el vapor formado lo descarga a la red de 5 barg. Estos depósitos recuperar parte de la energía del condensado en forma de vapor, pero este vapor formado es de un nivel de presión inferior la de la red de vapor de donde proviene el condensado. Por lo tanto posibles fugas de vapor al sistema de condensado siempre se recuperarán en la red de presión inferior y con menor energía. Normalmente existen tantos depósitos de recuperación de condensado como redes de distribución de vapor. Los depósitos de más presión alimenta el condensado recuperado al de inferior presión. Normalmente el último de los depósitos el que recoge todo el condensado del sistema trabaja a presión atmosférica. Este depósito atmosférico ventea el vapor formado a atmósfera, perdiendo parte de la energía del sistema y parte del agua del circuito.

CIBO Energy Efficiency Handbook

Este Manual de Eficiencia Energética se preparó para ayudar a los propietarios y operadores de sistemas de calderas para obtener el mejor rendimiento  y ahorro energético en su instalación. Este manual da información y consejos útiles de operación de casi todos los aspectos del funcionamiento de la caldera  empezando  por el tratamiento del agua , pasando por la combustión y por la recuperación , de calor en la chimenea, e incluyendo tratamiento de gases de escape y Cogeneración .

Equipos Asociados:

(Aprovecha los Calores y corrientes para generar el ahorro que buscas aplicando esta idea)

    Aprovecha Economizador


    El economizador aprovecha el calor de los gases de escape de la caldera para calentar alguna de las corrientes de alimentación a la caldera o al horno . El economizador es un intercambiador de placas especialmente diseñado para aprovechar el calor de los gases de escape.  

    Aprovecha Horno


    Los hornos de combustión queman un combustible para calentar una corriente de proceso

    Aprovecha Soplador de hollín


    Los sopladores de hollín eliminarn los depósitos de hollín en el exterior de los hornos que quemen carbón o fueles pesado para aumentar su eficiencia. El soplador de hollín consiste en un tubo de lanza con una boquilla en el extremo . Cuando se opera , la lanza se extiende en el interior del horno , principalmente en la zona del haz de tubos y se inyecta  vapor de limpieza  a través de la lanza. El vapor sale como un chorro de alta velocidad a través de las boquillas , que limpia la ceniza depositada en la superficie. Cuando la lanza se mueve dentro de la caldera también está girando de modo que aumenta  la superficie de limpieza alrededor de la boquilla. Cuando se la acabado la limpieza la lanza se retira hacia atrás.

    Hay distintos tipos de sopladores de hollín dependiendo de la zona del horno que queremos limpiar:

    Los depósitos en las paredes se deben a los componentes químicos de la ceniza, y la cantidad de aire de combustión. Si la ceniza contiene más cantidad de sulfuro ferroso, la temperatura de fusión de las cenizas es baja, lo que hace que la ceniza se funda y se adhiera a las paredes. Una planta de energía térmica con carbón grande tendrá alrededor de doscientas sopladores de hollín de ambos tipos dispuestos para cubrir toda el área de la caldera.

    Los sopladores de hollín pueden estar programados para operar automáticamente con un afrequencia requerida. Sopladores de hollín inteligentes calculan las tendencias en el aumento de la temperatura en las diferentes secciones de una caldera. Entonces, el programa decide que sopladores tienen que estaroperado y con qué frecuencia.


    Aprovecha Intercambiador de Calor


    Son equipos que intercambian calor entre dos corrientes. Podemos utilizarlos una corriente de servicio caliente como el vapor, para calentar una corriente de proceso , o utilizar un servicio de enfriamiento como el agua de torre para enfriar una corriente de proceso. La mejor eficiencia energética lse consigue cuando intercambiamos el calor entre dos corrientes de proceso. Extrayendo el calor de la corriente caliente que queremos enfriar y lo aprovechandolo para calentar una corriente fria que queremos calentar.    

    Aprovecha Sistema de adición químicos a Caldera


    Los residuos acumulados en los tubos de la caldera durante la evaporación del agua provocan incrustaciones y ensuciamiento que reducen la eficiencia de la caldera. Se utilizan adición de químicos para reducir la precipitación y formaciones de sales. Además de la adición de químicos al desaireador para eliminar la concentración de oxígeno y CO2 disuelto.  

    Aprovecha Trampas de Vapor


    Las trampas de vapor purgan el condensado de una mezcla vapor / condensado. Idealmente la trampa purgará el condensado evitando la salida de vapor. Existen varios tipos de trampas se aproximan a esta situación ideal en mayor o menor medida. En ocasiones cuando no funcionan de forma correcta provocan una fuga continua de vapor al circuito de condensado. Aunque este vapor se recupere lo hará en el depósito de recuperación de vapor , pero a un nivel inferior de presión.

    Aprovecha Tratamiento de agua de aporte de caldera


    Para evitar que se formen precipitados en los tubos de la caldera se debe desmineralizar el agua de aporte.

    Aprovecha Tratamiento de agua de caldera


    Cuando hay riesgo de contaminación del condensado por pérdidas fugas de compuestos, por ejemplo hidrocarburos, hay que instar sistemas para eliminar estos hidrocarburos

    Aprovecha Turbina


    Turbinas: La turbinas  de un fluido en energía mecánica, desde la presión y temperatura de entrada hasta una presión final a la que se descarga el fluido a la salida de la turbina. Las turbinas conectadas  a generadores eléctricos transforman la energía mecánica en electricidad

    Aprovecha Turbina de contrapresión


    La turbina de expansión  transforma la energía de un gas en energía mecánica, desde la presión y temperatura de entrada hasta la presión de descarga antes de que se produzca la condensación del gas. La turbina retorna así una gas sobrecalentado a menor presión, pero suficiente para ser utilizado en otra parte del proceso. Las turbinas de gas conectadas aprovechan menos energía del fluido que las turbinas de condensación. Sin embargo permiten utilizar este fluido, a menor presión en el proceso.  Este tipo de turbinas son las que se utilizan para reemplazar válvulas de control , aprovechando la energía del fluido desde la presión de suministro a la presión de utilización en el consumidor.

    Aprovecha Turbina de vapor


    Utilizan vapor para mover equipos rotarivos, en substitución de los motores eléctricos. Estas turbinas se suelan  utilizar en equipos que requieren motores  de gran potencia. Permiten aprovechar un excedente de vapor en la planta generando un ahorro de consumo eléctrico en la planta. Las turbinas de vapor pueden se de condensación o de contrapresión.  Utilizaremos turbinas de condensación si queremos aprovechar al máximo la energía del vapor. Utilizaremos turbinas de contrapresión si tenemos demanda de vapor de inferior presión y queremos recuperar este vapor  y consumirlo en la planta.    

    Aprovecha Turbina de condensación


    La turbina de condensación aprovecha  la energía de un gas condensable desde la presión y temperatura de entrada hasta la condensación del gas. La turbina retorna así un fluido parcialmente condensado. Las turbinas de condensación se utilizan principalmente cuando se trata de un fluido que no tiene utilidad  y se quiere aprovechar el máximo de su energía. Se utilizan por ejemplo para aprovechar la energía de un vapor residual, que se quiere condensar para retornarlo a la caldera de vapor.

Recursos externos y Referencias:

(Hemos seleccionado estos recursos y referencias, para que puedas ampliar más información)

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