DIAGNSTICO DE LA CALIDAD DE LA COMBUSTIN DE CALDERA TERMOTASAJERO S.A. E.S.P.

JHOM WERTY SANDOVAL PABN CDIGO: 1090175851

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERAS Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE INGENIERA QUMICA PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER

COLOMBIA 2013

DIAGNSTICO DE LA CALIDAD DE LA COMBUSTIN DE CALDERA TERMOTASAJERO S.A. E.S.P.

PROYECTO DE GRADO

Trabajo presentado para optar por el ttulo de: Ingeniero Qumico

Jhom Werty Sandoval Pabn Cdigo: 1090175851

Director

Ever Palacios Msc, Ingeniero Qumico.

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERAS Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE INGENIERA QUMICA PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER

COLOMBIA 2013

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Nadie sabe de lo que es capaz, hasta que lo intenta

Anibal

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A mis padres y hermanas

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AGRADECIMIENTOS

A Dios, mi luz y mi fuerza.

A mis padres y hermanas, por estar siempre ah ayudndome a cumplir mis metas.

Al ingeniero Juan Jaime Barboza mi ms grande admiracin, respeto y agradeciendo, por su

tiempo, dedicacin y conocimientos compartidos, base importante para la elaboracin de este

proyecto.

A los tecnlogos qumicos Marlon Moncada, Nury Mendoza, Fernando Fontalvo, Giovanni

Patio, Elicer Lozano y Alfonzo Len, por ofrecerme la oportunidad de aprender de su calidad

humana, disponer de su tiempo, conocimientos y apoyo.

Al ingeniero Alvaro Villamizar Villamizar por confiar en m, por su apoyo y conocimientos

acadmicos, pilares en mi formacin como ingeniero qumico, gracias.

Al Ingeniero Ever Palacios, por su direccin y orientacin en el presente proyecto.

A la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. y a todo su talento humano.

A cada uno de ellos y muchas ms personas que dejo en el tintero, mil gracias.

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RESUMEN

La evolucin del hombre ha estado acompaada por el desarrollo y aprovechamiento de la diversas formas de energa, el fuego que le proporciono calor y una fuente mstica para cocinar alimentos, en un primer momento, paso a ser parte importante para la obtencin de metales, tales como, cobre, hierro, estao, entre otros. Ya en la edad media se comenz a usar el poder que le dada el fuego al agua para transformarla en vapor. En el tiempo moderno esta fuerza del vapor permiti el desarrollo del tren a vapor y del mecanismo de produccin de energa elctrica a partir del ciclo de agua-vapor. Las centrales termoelctricas se benefician de la energa qumica liberada en la oxidacin de un combustible para la produccin de vapor a altas temperaturas y presiones que acciona una turbina y esta un generador, para producir electricidad. Por lo tanto, entre ms eficientes sea la combustin ms eficaz es el proceso de generar energa, ya que las prdidas por combustible no quemado se reducen al mnimo como tambin las emisiones de los gases contaminaciones.

En la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. se realizo la evaluacin de la calidad de la combustin en base a la concentracin de los gases de emisin del hogar, especialmente el monxido de carbono y el dixido de carbono, asimismo, el oxgeno remanente del proceso de oxidacin, gases que se analizaron en los ductos de escape a la salida del economizador de la caldera, por medio de una sistema extractivo que permite un flujo constante y representativo, de igual forma, el porcentaje de los inquemados en la ceniza voltil se tuvo en cuenta. Estos datos se relacionaron con las especificaciones indicadas en el sistema de aire y gases de caldera, especialmente con el aporte de los ventiladores de tiro forzado, de tiro inducido y de aire primario. El anlisis de los gases de combustin permiti observar que no hay una relacin entre el poder calorfico del carbn, su flujo y la rata msica de aire; relacin que debe ser acorde a los cambios de alguna de estas y debe ser constante para mantener las condiciones qumicas optimas en el hogar. De igual forma, se concluyo que mantener condiciones similares de operacin tanto en horas de la maana y de la tarde, represento en esta ltima jornada un aumento del monxido de carbono y de los inquemados en la ceniza voltil y por lo tanto, es necesario tener condiciones diferentes de operacin. Teniendo en cuenta lo anterior se recomend las condiciones operacionales del sistema aire y gases de caldera en los cuales es ms ptimo trabajar en cada jornada del da.

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ABSTRACT

The evolution of man has been accompanied by the development and use of various forms of energy, fire and heat that I provide a mystical source for cooking food, at first, became a big part to obtain metals such as copper, iron, tin, and others. Already in the Middle Ages began to use the power given to the fire water into steam. In this modern age of steam power enabled the development of the steam train and the mechanism of production of electrical energy from the water-steam cycle. Thermal power plants benefit of chemical energy released during oxidation of fuel to produce steam at high temperatures and pressures to drive a turbine and the generator, to produce electricity. Thus the more efficient is the most efficient combustion is the process of power generation, since the unburned fuel losses are minimized as the gas emissions contaminations. In the company Termotasajero SA E.S.P. evaluating the quality of combustion based on the concentration of the exhaust gases from home, especially carbon monoxide and carbon dioxide, also, the remaining oxygen from the oxidation process, gases are analyzed in the performed exhaust ducts to the exit of the economizer of the boiler, by means of an extraction system which allows a constant and representative flow, similarly, the percentage of unburned carbon in the fly ash is taken into account. These data were related to the specifications in the air system and gas boiler, especially with the contribution of the forced draft fans, induced draft and primary air fan. The analysis of the combustion gases allowed to observe that there is not a relationship between the heating value of coal, and its mass flow rate of air; relationship must be consistent with changes in any of these and should be constant to maintain the optimum chemical conditions home. Similarly it was concluded that maintain similar operating conditions in both the morning and afternoon, I represent in this last day increased carbon monoxide and unburned carbon in fly ash and therefore you need to have conditions different operation. Considering the above operating conditions of air and gas boiler system in which it is optimal to work on each day of the day was recommended.

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NDICE GENERAL Pg RESUMEN vii NDICE GENERAL ix NDICE DE FIGURAS xi NDICE DE GRFICAS xii NDICE DE TABLAS xiv CAPTULO I INTRODUCCIN GENERAL 1 1.1 Planteamiento del problema 1 1.2 Antecedentes 1 1.3 Justificacin 3 1.4 Objetivos 3 1.4.1 Objetivo general 3 1.4.2 Objetivos especficos 3 CAPTULO II GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA A PARTIR DEL CARBN

4

2.1 El carbn 4 2.1.2 Composicin qumica del carbn 4 2.1.3 Anlisis del carbn 6 2.1.3.1 Anlisis prximo o inmediato 6 2.1.3.2 Anlisis ltimo 8 2.2 Combustin del carbn 8 2.2.1 Proceso de la combustin del carbn 10 2.2.2 Etapas de la combustin 11 2.2.2.1 Devolatilizacin del carbn 13 2.2.2.2 Combustin de los productos voltiles 14 2.2.2.3 Oxidacin del residuo carbonoso 15 2.2.3 Productos y contaminantes generados en el proceso de la combustin

15

2.2.4 Inquemados 18 2.2.4.1 Medicin de inquemados presentes en la ceniza voltil 19 2.3 Centrales termoelctricas 19 2.3.1 La caldera 20 2.3.1.1 Partes de la caldera 22 2.3.1.2 Funcionamiento de la Caldera 23 2.3.2 Termotasajero S.A. E.S.P. 24 2.3.2.1 Proceso de operacin 25 2.3.2.2 Materia prima 27 CAPTULO III METODOLOGA PARA EL ANLISIS DE GASES DE 28

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COMBUSTIN 3.1 Sistema de muestreo 26 3.2. Pruebas preliminares 32 3.2.1 Calibracin del sensor de CO(Bajo) del PCA3 32 3.2.2 Prueba de la trampa de vapor 32 3.2.3 Prueba hidrulica 33 3.3 Clculo terico de los requerimientos de la combustin 34 3.3.1 Determinacin del oxgeno terico 35 3.3.2 Clculo del oxgeno del carbn 35 3.3.3 Clculo del aire terico y exceso de aire 39

CAPTULO IV ANLISIS DE RESULTADOS 40 4.1 Anlisis de los gases de combustin a 170 MW 40 4.1.1 Anlisis preliminar de los gases de combustin en horas de la maana

42

4.1.2 Anlisis preliminar de los gases de combustin en horas de la tarde

48

4.2 Anlisis de resultados a 164 MW 53 4.2.1 Anlisis de resultados en la jornada de la maana 55 4.2.2 Anlisis de resultados en la jornada de la tarde 59 4.2.3 Similitudes entre los anlisis 63 CAPTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 65 5.1 Conclusiones 65 5.2 Recomendaciones 67 5.2.1 Monitoreo de las especies qumicas NOx y SOx 67 5.2.2 Simuladores de la combustin 67 5.2.3 Medicin de flujo de aire de los ventiladores de aire primario y de tiro forzado

67

5.2.4 Mantenimiento a las lanzas de medicin contina de oxgeno 68 5.2.5 Mejoras en las lanzas del sistema de muestreo Orsat 68 5.2.6 Anlisis posteriores 69 5.2.7 Rango de la concentracin de monxido de carbono 70 5.2.7.1 Causas de la presencia de altos niveles de monxido de carbono

70

5.2.8 Ubicacin de una fuente de energa elctrica cerca al punto de muestra

71

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 73 GLOSARIO 76 ANEXOS 77 Anexo A. Diagrama del sistema de aire y gases de caldera, DIASYS 77 Anexo B. PCA3 Portable Combustion Analyzer 78 Anexo C. Sistema de muestreo estndar 81

xi

NDICE DE FIGURAS Pg Figura 2.1. Esquema del mecanismo global de la combustin 12 Figura 2.2. Esquema del flujo cerca del quemador 12 Figura 2.3. Representacin de los mecanismos involucrados en la primera fase de la pirolisis del carbn

14

Figura 2.4. Tamaos tpicos de la ceniza en las tolvas de recoleccin 18 Figura 2.5. Generacin del vapor en la caldera 20 Figura 2.6. Caldera pirotubular 21 Figura 2.7. Caldera acuotubular 21 Figura 2.8. Esquema del sistema aire y gases de caldera 26 Figura 3.1. Lanzas de muestreo Orsat 28 Figura 3.2. Punto de muestreo, salida del economizador lado B 28 Figura 3.3. Esquema de secciones de muestreo en los ductos de los gases de combustin

29

Figura 3.4. Sistema de muestreo No.1 30 Figura 3.5. Sistema de muestreo No.2 31 Figura 3.6. Sistema de muestreo No.3 31 Figura 3.7. Sistema de calibracin de CO(Bajo) 32 Figura 3.8. Muestreo de gases de combustin de un automvil 33 Figura 3.9. Prueba hidrulica 33 Figura 3.10. Balance global de masa 34 Figura 5.1. Cabezal de la lanza de muestreo 67 Figura 5.2. Fuentes de energa cerca del punto de muestreo lado A 71 Figura 5.3. Fuentes de energa cerca del punto de muestreo lado B 72 Figura A1. Diagrama del sistema aire y gases de caldera 77 Figura B1 Analizador de gases, PCA3 78 Figura C1. Trinche y trampa de ceniza 82 Figura C2. Bomba de vaco y trampa de humedad 82 Figura C3. Limpieza de las lanzas de muestreo con aire de instrumento

85

Figura C4. Verificacin de la presin en el punto de muestreo 86 Figura C5. Conexiones sistema de muestreo 86

xii

NDICE DE GRFICAS Pg

Grfica 3.1. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de carbono en el carbn

37

Grfica 3.2. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de hidrgeno en el carbn

38

Grfica 3.3. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de nitrgeno en el carbn

39

Grfica 4.1. Concentracin de oxgeno y monxido de carbono 41 Grfica 4.1. Valores medidos y calculados de los gases de combustin en horas de la maana

43

Grfica 4.3. Oxgeno en los gases de combustin medido en horas de la maana en los lados A y B

43

Grfica 4.4. Oxgeno medido por las lanzas A y B de sala de control en el lado A, en horas de la maana

44

Grfica 4.5. Oxgeno medido por las lanzas C y D de sala de control en el lado B, en horas de la maana

44

Grfica 4.6. Relacin msica aire/carbn y el exceso de aire en horas de la maana

45

Grfica 4.7. Porcentaje de inquemados en la ceniza voltil y la relacin msica de aire/carbn en horas de la maana

46

Grfica 4.8. Ventiladores de aire primario y monxido de carbono en las horas de la maana

47

Grfica 4.9. Ventiladores de aire primarios y oxgeno remanente en las horas de la maana

47

Grfica 4.10. Poder calorfico e inquemados en las horas de la maana

48

Grfica 4.11. Valores medidos y calculados de los gases de combustin en horas de la tarde

48

Grfica 4.12. Oxgeno en los gases de combustin medido en la seccin de la tarde en los lados A y B

49

Grfica 4.13. Oxgeno medido por las lanzas A y B de sala de control en el lado A, en horas de la tarde

50

Grfica 4.14. Oxgeno medido por las lanzas C y D de sala de control en el lado B, en horas de la tarde

50

Grfica 4.15. Flujo de aire y carbn, exceso de aire en la seccin de la tarde

51

Grfica 4.16. Porcentaje de inquemados en la ceniza voltil y la relacin de flujo msico de aire/carbn en horas de la tarde

52

Grfica 4.17. Aporte de los ventiladores de aire primario y de tiro forzado al flujo total del aire en las horas de la tarde

52

Grfica 4.18. Poder calorfico e inquemados en la ceniza voltil en las 53

xiii

horas de la tarde Grfica 4.19. Anlisis de los gases de combustin 55 Grfica 4.20. Concentracin de los gases de combutin en la jornada de la maana

55

Grfica 4.21. Oxgeno medido en el lado A y B, jornada de la maana 56 Grfica 4.22. Oxgeno medido en las lanzas A y B del lado A, jornada de la maana

57

Grfica 4.23. Oxgeno medido en las lanzas C y D del lado B, jornada de la maana

57

Grfica 4.24. Flujos de aire y carbn en la jornada de la maana 58 Grfica 4.25. Excesos de aire en la jornada de la maana 58 Grfica 4.26. Aporte de los ventiladores al flujo de aire total en la jornada de la maana

59

Grfica 4.27. Concentracin de los gases de combustin en la jornada de la tarde

59

Grfica 4.28. Oxgeno medido en el lado A y B, jornada de la tarde 60 Grfica 4.29. Oxgeno en las lanzas A y B en la jornada de la tarde 60 Grfica 4.30. Oxgeno en las lanzas C y D en la jornada de la tarde 61 Grfica 4.31. Flujo de aire y carbn en la jornada de la tarde 62 Grfica 4.32. Exceso de aire en la jornada de la tarde 62 Grfica 4.33. Aporte de los ventiladores al flujo de aire total en la jornada de la tarde

63

xiv

NDICE DE TABLAS Pg Tabla 2.1. Clasificacin de carbones segn el rango 5 Tabla 2.2. Anlisis elementales promedio de las clases de carbn 8 Tabla 2.3. Composicin qumica del aire atmosfrico en condiciones estndar

9

Tabla 2.4. Caractersticas del proceso de generacin de energa elctrica.

26

Tabla 2.5. Anlisis prximo del carbn de consumo 27 Tabla 2.6. Caracterizacin del carbn usado en Termotasajero.S.A. E.S.P.

27

Tabla 3.1. Prueba hidrulica 34 Tabla 3.2. Especificaciones de los ventiladores 39 Tabla 4.1. Anlisis de fineza promedio de los pulverizadores 40 Tabla 4.2. Influencia de la temperatura del flujo de aire en la combustin 42 Tabla 4.3 Desviacin de los valores medidos por las lanzas de sala de control con referencia a los indicados por el PCA3 en la jornada de la maana

45

Tabla 4.4. Desviacin de los valores medidos por las lanzas de sala de control con referencia a los indicados por el PCA3 en la jornada de la tarde

51

Tabla 4.5. Anlisis de resultados 54 Tabla 4.6. Divergencia en los valores indicados por las lanzas de medicin continua de oxgeno y los reportados por el PCA3 (Maana)

56

Tabla 4.7. Divergencia en los valores indicados por las lanzas de medicin continua de oxgeno y los reportados por el PCA3 (Tarde)

61

Tabla B1. Condiciones normales de operacin 79

CAPTULO I

INTRODUCCIN GENERAL 1.1 Planteamiento del problema En las centrales termoelctricas de carbn pulverizado, la complejidad del proceso de combustin no solo representa un reto en las etapas de diseo, sino tambin, en las condiciones de operacin normales y en la economa total del proceso de generacin de electricidad. Ya que la oxidacin incompleta del carbn genera altas concentraciones de monxido de carbono y combustible sin quemar que es arrastrado con los productos de emisin, disminuyendo la eficiencia trmica y aumentando las prdidas econmicas al no consumir toda la materia prima, estas falencias solo se pueden mitigar por medio de ajustes en las condiciones de operacin que favorezcan la disminucin al mximo de los inquemados. En la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. el porcentaje de inquemados supera el lmite de diseo (10%) y cualquier medida que se pueda realizar para minimizar este valor representara un beneficio directo en el proceso global, especialmente en la economa, ya que del costo total de generacin de energa elctrica el 40% corresponde al carbn de consumo. En el presente trabajo se confrontan las condiciones operacionales normales de la caldera con parmetros y clculos tericos de la combustin y por medio de la determinacin de las concentracin de monxido de carbono, dixido de carbono y oxgeno en los gases de combustin, junto con la determinacin del porcentaje de inquemados en la cenizas voltil; se plantean ajustes y mejoras en la operacin del Sistema aire y gases de caldera que har ms eficiente el proceso de combustin, reducir la perdida de carbn como combustible no quemado y se reducir favorablemente los gases contaminantes, generando no solo beneficios econmicos, sino tambin, ambientales. 1.2 Antecedentes El carbn es el combustible fsil ms barato y abundante en la naturaleza, la mayor cantidad de reservas se encuentra en el conteniente asitico, europeo y el norte de Amrica; el mineral existen en Colombia representa cerca del 1% de las reservas mundiales y el 52% de Amrica central y Suramrica, con 6.419 millones de toneladas de las cuales se explotan anualmente 89 millones de toneladas, siendo ms del 94% de esta para el uso en centrales trmicas. La mayor cantidad de carbn se encuentra en los departamentos de la Guajira, Cesar, Crdova,

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Cundinamarca, Boyac, Antioquia, Valle del Causa, Cauca y Norte de Santander, este ltimo solo aporta el 1,6% de las reservas para los prximos aos [1]. El carbn representa el 80% de los combustibles fsiles usados para la generacin de energa y son las centrales termoelctricas las encargadas de aportar el 9,27% de la demanda energtica de Colombia, segn los datos reportados en diciembre del 2013; presentando aproximadamente el 90% de las emisiones de dixido de carbono con 473.955 Ton/mes [2]. De estas cifras es consiente el gobierno colombiano junto con las centrales termoelctricas, las cuales en esfuerzos conjunto como individuales, por medio de proyectos de diferentes magnitudes trabajan para minimizar las emisiones de gases contaminantes y mejorar los procesos operativos de generacin, obteniendo beneficios econmicos y legales. Un ejemplo de ello, son las acciones jurdicas interpuestas por medio del Ministerio de ambientes apoyado en las leyes que amparan a la naturaleza y a la salud pblica, para abrir investigaciones ambientales o sancionar a empresas que sobrepasen los lmites de emisiones de contaminantes y/o afecten los ecosistema aledaos, como paso con Termoguajira que presentaba irregularidades en el Plan de Manejo Ambiental Central Termoguajira y requiri entre otras medidas, optimizar el proceso de combustin y los controles en los gases NOx, SOx, CO2, CO y O2 [3]. Pero antes de llegar a estas instancias, muchas empresas son constantes en sus planes ambientales como tambin, en el mejoramiento continuo del proceso, por medio de los cuales se dan cuenta de las falencias existentes en el proceso de generacin elctrica y de su relacin con las emisiones de gases contaminantes. Para plantear soluciones como programas de muestreo y medicin de variables fisicoqumicas de la combustin, monitoreos de la calidad del aire y del agua; verbigracia, la Central Termoelctrica de Paipa [4], quien en el 2012 [5] realiz estudios en los cuales se concluyen las relaciones optimas de aire primario/carbn, aire primario/secundario y su influencia en las concentraciones de las especies NOx e inquemados, (parmetros operativos especficos para el diseo de esta unidad termoelctrica). El caso contrario, son empresas que tomaron soluciones ms radicales, como Termoguajira que dejo de generar energa elctrica a partir de carbn para hacerlo con gas natural. O el cierre definitivo de Termoyumbo por un proceso de combustin de carbn obsoleto y poco rentable que origino despidos de trabajadores y la disminucin de sus ingresos hasta la quiebra [6]. En cambio, Termotasajero S.A. E.S.P le apuesta a su plan continuo de mejoramiento de calidad integral, con trabajos para mejorar el proceso de generacin de energa elctrica, ejemplos se ello se pueden nombrar: la optimizacin de la operacin de los pulverizadores y control de la fineza del carbn, monitoreo permanente de las emisiones de gases y material particulado,

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controles ambientales, seguimiento continuo del oxigeno en los gases de combustin, automatizacin de todo el proceso, entre otros. 1.3 Justificacin Dada la complejidad del proceso de la combustin del carbn y las consecuencias que puede generar la oxidacin incompleta de este, como altas concentraciones de inquemados en la ceniza voltil y de monxido de carbono en los gases de emisin. Es importante hacer ms eficientes el proceso de combustin y determinar las condiciones operativas en las cuales la cantidad de combustible inquemado disminuye favorablemente y se reducen las emisiones de los gases contaminantes, generando no solo ganancias econmicas sino tambin, ambientales al hacer el proceso ms ecolgico. En la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. del costo total de produccin de energa, el 40% corresponde al consumo de carbn, en consecuencia y en busca del mejoramiento continuo, se verificar el estado actual de la combustin por medio de la determinacin de la concentracin de monxido de carbono, dixido de carbono y oxigeno en los gases de emisin. Planteando propuestas con miras a realizar los ajustes necesarios para optimizar el funcionamiento de la caldera y reducir el porcentaje de inquemados en la ceniza voltil por debajo o cerca del 10%. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo general Confrontar la calidad de la combustin de la caldera de la empresa Termotasajero S.A. E.S.P con respecto a parmetros tericos. 1.4.2 Objetivo especfico

I. Determinar la concentracin de dixido de carbono, monxido de carbono y oxigeno en los gases de combustin.

II. Hallar la concentracin de inquemados en la ceniza voltil. III. Calcular el aire terico y la relacin aire-combustible en la cual la caldera

funciona normalmente. IV. Analizar e interpretar los resultados obtenidos.

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CAPTULO II

GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA A PARTIR DE CARBN 2.1 El carbn El carbn es un combustible fsil que se encuentra en forma natural como roca sedimentaria heterognea [7] de origen vegetal el cual posee un poder calorfico alto, es econmico y rentable de explotar por lo que es usado masivamente en la generacin de energa elctrica [8]. Se puede considerar al carbn como una molcula con una gran red formada por unidades estructurales de bajo peso molecular (anillos cicloaromticos, hidroaromticos y heterociclos), constituidas predominantemente por carbono y en menor proporcin, por tomos de oxgeno, azufre y nitrgeno, conectadas entre s por medio de enlaces covalentes (alifticos o tomos de oxgeno y azufre) y enlaces no covalentes (fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrgeno); caractersticas que proceden desde el origen mismo del carbn [9]. La formacin del carbn tienen como fuente inicial la acumulacin de plantas, rboles y dems material vegetal en terrenos lodosos [10], por la accin de bacterias y sustancias del medio llevaron a una transformacin bioqumica (etapa bioqumica), producindose la progresiva degradacin de la materia vegetal, particularmente la celulosa y protenas, como tambin, una prdida de hidrgeno y oxgeno, lo que llevo a un incremento en el contenido de carbono, siendo el origen de la turba, el precursor del carbn [9,11]. Los sedimentos que se acumulan sobre la turba, la enterrada profundamente sometindola a movimientos tectnicos, como tambin a mayores presiones y temperaturas, factores que disminuyen el contenido de agua, materia voltil, hidrgeno y oxgeno [11], mientras aumenta el contenido de carbono fijo y el poder calorfico; dando nacimiento a un compuesto heterogneo que por sus condiciones de formacin es nico y bastante variables, por eso no se pueden hallar dos carbones iguales (etapa geoqumica) [8]. 2.1.2 Composicin qumica del carbn El carbn se compone principalmente por dos constituyentes, la materia orgnica compuesta de carbono y es la que produce la mayor cantidad de calor en la oxidacin y la materia inorgnica que la forman: el agua, gases y minerales que permanecen como residuos en la ceniza.

5

Qumicamente se puede decir que el carbn presenta una estructura qumica predominantemente aromtica, con cerca del 70% de carbn aromtico y 20% de carbn hidro-aromtico; formando redes estructurales del carbn, similares a las del grafito, donde los tomos se presentan en camadas paralelas pero con enlaces qumicos entre los planos, representados principalmente como puentes metileno, enlaces ter, sulfito, bisulfito y bifenil. Por este tipo de arreglo el carbn presenta una estructura altamente plana y laminada con poros pequeos que ocupan un volumen entre el 8 y 20% [11]. La composicin tpica del carbn incluye: 25-95% de carbono, 2-7% de hidrgeno, hasta 25% de oxgeno y 10% de azufre, as como de 1 a 2% de nitrgeno. La materia mineral inorgnica puede alcanzar valores tan altos como un 50%, pero un rango entre 5-15% es el ms tpico. El contenido de humedad comnmente vara de 2 al 10% [11]. La composicin qumica, el poder calorfico y el carbono fijo en base hmeda libre de material mineral son los criterios establecidos por la American Society of Testing Materials (ASTM) para clasificar en cuatro categoras al carbn, grupos que representa en cierto modo el grado de carbonizacin, al aumentar la concentracin de carbono fijo y disminuir la material voltil y la humedad. Las cuatro principales clases de carbn son el lignito, el sub-bituminoso, el bituminoso y la antracita, de los cuales se desprenden diversos grupos como se ve en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Clasificacin de carbones segn el rango [12]

Clase Grupo Carbono fijo % Poder calorfico

(Cal/gr)

Antracita Meta- antracita >98

Antracita 92-98

Semi-antracita 86-92

Bituminoso

Bituminoso bajo voltil 78-86

Bituminoso medio voltil 69-78

Bituminoso alto voltil A

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Sub-bituminoso: son lignitos que han perdido algo de humedad, posee un poder calorfico bajo; su color es negro opaco y es difcil distinguirlo del carbn bituminoso [11]. Bituminoso: son los carbones cuya utilizacin a nivel mundial est ms difundida. Son densos, compactos, de color marrn oscuro y brilloso, presenta un bajo contenido de humedad, materia voltil variable y su poder calorfico es alto. Asimismo, es ms resistente a la desintegracin que los sub-bituminosos y lignitos [11]. Antracita: es el carbn ms duro, de color negro azabache y brilloso; se rompe con una fractura concoidal y se muestra altamente lustroso. Su contenido de humedad y materia voltil es bajo, mientras que el carbono fijo y su poder calorfico son altos [11]. 2.1.3 Anlisis del carbn El anlisis tiene como objetivo la evaluacin y verificacin de las propiedades fsicas y qumicas del carbn para conocer su influencia en la produccin de energa, impacto ambiental, deterioro de los equipos, daos y manejos industriales y tcnicos. Hay dos tipos de anlisis primordiales el prximo y el ltimo, los cuales indican las concentraciones de las diversas sustancias presentes en el carbn. 2.1.3.1 Anlisis prximo o inmediato En este procedimiento se identifica el grado de carbonizacin y se determina el porcentaje de humedad, material voltil, cenizas, carbn fijo y poder calorfico. En ocasiones este anlisis tambin incluye la temperatura de fusin de cenizas y el ndice de hinchamiento del carbn. El anlisis prximo se emplea para caracterizar los carbones segn sus aplicaciones industriales:

1. Para determinar el rango de carbn. 2. Para indicar la razn entre sus constituyentes combustibles y no

combustibles. 3. Para suministrar la base para su compra y venta. 4. Para evaluarlo como combustible [11].

a) Humedad total: es la suma de la hmeda inherente o ligada y la libre. La humedad libre o superficial, es la que se pierde por medio de un secado al ambiente o calentando a poco ms de 100C, tambin suele denominar a sta, agua de inhibicin [11] y la humedad ligada es la presente en los poros internos del carbn, se desprende al someterlo a temperaturas entre los 105C a 185C. Las normas ASTM D3173 y la ASTM D3302 indican el procedimiento para la determinacin estndar de la humedad en las muestras de carbn y coque [12].

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b) Material voltil: son sustancias que al ser calentado el carbn se separan de este, son principalmente gases, vapor de agua y sustancias productos de la descomposicin trmica, como el monxido de carbono, el hidrgeno, el metano y otros hidrocarburos orgnicos. Tambin, los que habitualmente no son combustibles son el dixido de carbono, el amoniaco, el sulfuro de hidrgeno y algunos cloruros [11]. El porcentaje de material voltil se determina bajo las condiciones de pruebas estandarizadas segn las normas ASTM D3175 y ISO 562 [12]. La determinacin de la cantidad de materia voltil es importante, ya que se relaciona con la velocidad de combustin y la longitud de la llama [8]. c) Cenizas: es el residuo mineral no combustible, que se origina de la oxidacin, su composicin depende del tipo de material mineral presente originalmente en el carbn. Principalmente esta compuesto de xidos y sulfatos, como tambin se destacan los elementos: silicio, aluminio, hierro, calcio y en pequeas proporciones de magnesio, potasio, titanio y sodio [8,11]. Se pueden considerar dos tipos de cenizas segn su origen [8]:

1) Cenizas adventicias: proceden de la roca adyacente y de la materia mineral propia del combustible.

2) Cenizas inherentes: proceden de las combinaciones orgnicas o inorgnicas de la materia vegetal que dio origen al combustible.

Su determinacin se realiza en el laboratorio por medio de la quema del carbn en condiciones controladas de temperatura, tiempo y atmsfera segn la norma ASTM D3174 (usada tanto para el anlisis prximo como tambin para el anlisis ltimo [7]) y la ASTM D388 [11]. d) Carbono fijo: es la porcin no voltil principalmente de carbono puro que es el remanente despus de determinar la humedad, la materia voltil y las cenizas; su valor se calcula restando del 100%, la humedad, la materia voltil y la ceniza (ASTM D3172) [11], este valor es usado en la determinacin de la eficiencia de los equipos de combustin y tambin es un indicador del rendimiento del proceso de coquizacin [7]. El carbono fijo es el responsable de proporcional la mayor cantidad de calor en la combustin [9].

Carbono fijo = 100% - %humedad - %materias voltiles - %cenizas (2.1) e) Poder calorfico: es la energa de la reaccin en condiciones estndar y cantidades estequiometrias. Se distinguen dos tipos, el poder calorfico superior o mximo en el cual el agua sale como un producto lquido cediendo calor al calormetro. El otro poder calorfico es llamado inferior o energa neta y se determina con el agua en forma de vapor (ASTM D2015) [11].

8

2.1.3.2 Anlisis ltimo Es un procedimiento ms detallado de la composicin del carbn, indica el porcentaje peso a peso de los elementos carbn, hidrogeno, nitrgeno, oxgeno y azufre (ver Tabla 2.2). Carbono total: es el carbono procedente de la sustancia orgnica y de los carbonatos minerales; ser la suma del carbono fijo y del contenido de carbono en los materiales voltiles. El carbono fijo o carbono sin combinar, como ya se ha indicado, es el que no destila cuando se calienta un carbn (ASTM D1756) [11]. Hidrgeno: el hidrgeno est presente en la sustancia orgnica en forma de humedad y agua de constitucin de los silicatos de la materia mineral. El anlisis qumico descompone el agua en hidrgeno y oxgeno (ASTM D1756) [11]. Azufre: la mayora de los carbones contienen azufre, que nicamente puede determinarse por anlisis qumicos (ASTM D3177) [11]. El azufre est presente en tres formas:

I. Compuestos sulfurados orgnicos

II. Pirita o marcasita

III. Sulfatos inorgnicos Nitrgeno: forma parte en todos los carbones, ligado a combinaciones orgnicas en pequeos porcentajes y se determina por mtodos de absorcin atmica (ASTM D3179). Al ser inerte no produce ningn efecto perjudicial, excepto que obliga en su manipulacin a gastar energa y al igual que las cenizas, disminuye la cantidad de energa disponible por tonelada de combustible [11]. Oxgeno: se estima por diferencia al 100% de la suma de carbono, hidrgeno, nitrgeno, azufre total y cenizas [11].

Tabla 2.2. Anlisis elementales promedio de las clases de carbn [12] Carbn Carbono Hidrgeno Oxgeno Nitrgeno Azufre

Antracita 93,5 2,6 2,3 0,9 0,7

Bituminoso 86,0 5,2 6,3 1,5 1,0

Subbituminoso 72,1 5,6 17,4 2,0 2,9

Lignitico 73,6 4,5 17,6 2,2 2,1

2.2 Combustin del carbn En el proceso de la combustin la energa ordenada en los enlaces qumicos pasa bruscamente a energa trmica generando mucha entropa en las partculas producidas, esta tendencia de aumentar la entropa tambin aumenta la viabilidad

9

o tendencia a reaccionar, dado que las leyes del universo favorecen a los procesos que tienen esta preferencia. Toda reaccin de combustin se puede representar:

Combustible + Comburente = Gases de combustin + calor + luz Generalmente los combustibles ms empleados son, los combustibles fsiles como el carbn, la gasolina, el fuel-oil, los gases licuados del petrleo y gas natural. En todos los casos, los componentes mayoritarios es el carbono y el hidrgeno, asimismo, pueden tener cantidades variables de oxigeno, nitrgeno, azufre, entre otros. Mientras tanto, el comburente ms usado en los procesos de combustin, es el aire, dado los bajos costos de su manipulacin y acondicionamiento, como tambin, su alta concentracin de oxgeno (ver Tabla 2.3). Por estas razones el aire se usa como el reactivo en exceso para asegurar el mayor rendimiento de la oxidacin del carbn. Pero hay que tener en cuenta la alta cantidad de nitrgeno presente y si en el proceso donde se va a usar se generan temperaturas muy elevadas, ya que este puede originar xidos altamente contaminantes.

Tabla 2.3. Composicin qumica del aire atmosfrico en condiciones estndar Componente Peso molecular (g/gmol) [13] % en Volumen [14]

Nitrgeno 28,0134 78,048

Oxgeno 31,9988 20,948

Argn 39,9480 0,934

Dixido de carbono 44,0095 0,033 Nen 20,1797 0,001818

Peso molecular del aire (g/gmol) 28,9550

Fuente: Autor

El aire terico requerido para la combustin es aquel que se requerira para reaccionar con todo el carbono presente en el combustibles y formar dixido de carbono. Dado que la oxidacin es parcial, es necesario introducir una cantidad de aire superior denominada aire en exceso. Hay que tener en cuenta que demasiado aire en exceso reducir la temperatura del hogar y arrastrar una cantidad considerable de calor til aumentando las prdidas de calor, disminuyendo la eficiencia de la transferencia de calor, aumentando los inquemados slidos y gaseosos. Pero poco aire producir una combustin incompleta por falta de oxgeno y se escapar por la chimenea mucho combustible sin quemar [15].

Exceso de aire = (aire real / aire terico) 1 (2.2)

10

2.2.1 Proceso de la combustin del carbn En el proceso de la combustin, el aire primario transporta las partculas slidas del carbn facilitando la transferencia de oxgeno a esta y precalentndolo a temperaturas de 200C, en este secado hay una liberacin de vapor de agua, dado que el calentamiento sigue y la temperatura puede alcanzar los 300C, el carbn sufre una pirolisis liberando gases como CO, H2, H2O y HCN los cuales reaccionan con el oxgeno para generar energa la cual aumenta la temperatura de los alrededores. Este fenmeno modifica la estructura molecular del carbn formando el char o coque el que finalmente se va a oxidar dando como productos dixido de carbn, vapor de agua y energa, principalmente [7]. En trminos generales, del 100% del tiempo requerido para la combustin de una partcula de carbn pulverizado, el 22% de este es para quemar el 96% de la partcula, el restante 78% se emplea en la combustin del 4% faltante de la partcula, esta tendencia fundamenta la presencia casi inevitable de los inquemados en los proceso de combustin de carbn pulverizado [9]. La oxidacin del carbono en presencia del oxgeno origina principalmente dixido de carbono, pero dado la complejidad del proceso de la combustin tambin se pueden presentar reacciones alternas, las cuales pueden representar una prdida del 70% del calor que aportara la oxidacin completa del carbono, las principales reacciones se muestra a continuacin:

El hidrgeno presente en la constitucin el carbn, reacciona con el oxgeno originando agua, la cual dada las altas temperaturas del hogar sale como vapor en los gases de combustin. Esta reaccin depende principalmente de la cantidad de hidrgeno presente en el carbn a quemar.

A temperaturas de 250C la principal reaccin del azufre origina dixido de azufre, y entre 300 y 500 C, se forma anhdrido sulfrico.

11

Esta formacin es despreciable por encima de los 950 C debido a la reaccin inversa. Teniendo en cuenta el exceso de aire y las temperaturas, es de esperar que se forme SO3 en las zonas de baja temperatura del horno. La oxidacin del SO2 depende de la condiciones de combustin (funcionamiento de los quemadores) y puede reducirse disminuyendo el exceso de aire de la combustin. La cantidad de SOx depende principalmente del contenido en azufre del combustible [15]. El nitrgeno tanto del carbn como del aire atmosfrico introducido a la caldera, a altas temperaturas reacciona con el oxgeno, formando xidos de nitrgeno:

Los xidos de nitrgeno provienen de dos reacciones distintas:

1) Oxidacin del nitrgeno molecular del aire de combustin. Este mecanismo,

llamado NOx trmico, se produce cualquiera que sea el combustible (gas,

fuel-oil o carbn). El NOx trmico resulta de una cadena compleja de

reacciones (mecanismo de Zeldovich). La velocidad de reaccin crece con

la temperatura y con la concentracin de O2 y N2. El NO2 se forma por

conversin del NO a temperatura relativamente baja (600C) [15].

2) Oxidacin de compuestos orgnicos nitrogenados contenidos en el combustible (NOx combustible). El gas natural no contiene este tipo de compuestos orgnicos [15].

2.2.2 Etapas de la combustin

La combustin del carbn, se dividirse en tres etapas. Una pirolisis rpida, llamada devolatilizacin, donde se liberan los componentes voltiles del carbn, posteriormente la combustin homognea de los productos voltiles antes liberados y por ltimo, una oxidacin lenta del carbono fijo remanente, del cual no todo se quema generando un residuo carbonoso que se denomina inquemados slidos (ver Figura 2.1).

12

Figura 2.1. Esquema del mecanismo global de la combustin [16]

Como puede apreciarse en la Figura 2.2, el campo fluido cerca de un quemador de premezcla puede dividirse en dos zonas [9]:

A) Una zona cerca del quemador (zona C), donde tienen lugar dos

recirculaciones: una recirculacin interna (zona A), donde se completa la

combustin de la materia voltil y una recirculacin externa (zona B) de los

productos de la combustin, que suministra el calor necesario para

mantener la llama estable.

B) Una zona aguas abajo, donde los gases de combustin y las partculas que

estos arrastran, cenizas y residuos inquemados de carbn, se dirigen hacia

la salida del hogar (zona D). Alrededor del 20 - 40 % de esas partculas se

adhirieren a las paredes y a los tubos, ocasionando fenmenos de

ensuciamiento y dificultando la transferencia de calor, o se depositan sobre

las tolvas de la caldera.

Figura 2.2. Esquema del flujo cerca del quemador [9]

13

2.2.2.1 Devolatilizacin del carbn Durante esta etapa, la partcula de carbn sufre una transformacin en su estructura interna y aumenta su porosidad, dada la liberacin de materia voltil que puede llegar a representar el 50% o 70% del peso total de la partcula. Adems, tiene una gran influencia en la ignicin del carbn y en el proceso global de combustin, ya que las condiciones de este proceso determinan la naturaleza estructural y reactiva del residuo carbonoso resultante. En la primera etapa, el carbn se descompone trmicamente a elevadas temperaturas produciendo compuestos gaseosos (gas), especies de alquitrn condensables (tar) y un residuo carbonoso (char), proceso que tiene lugar entre 10 y 200 ms y con ausencia de suficiente oxgeno [16]. Esta etapa comienza con un calentamiento de las partculas, por conveccin y radiacin de las paredes de la caldera, hasta alcanzar los 150 200 C, donde pierde la humedad contenida en su matriz. Al aumentar la temperatura entre 200 y 400 C, algunos puentes de hidrgeno de la molcula se empiezan a romper. Entre 300 y 400 C, se crear nuevos enlaces produciendo un entrecruzamiento con algunos de los anillos aromticos que componen el carbn (recombinacin) [9]. El nmero de anillos aromticos por estructura, la composicin especfica de los puentes entre los grupos aromticos y la composicin de los grupos funcionales unidos a las estructuras aromticas, son factores que determinan el mecanismo de esta fase de la pirolisis [16]. La devolatilizacin primaria se da a temperaturas superiores a los 600 C, hay ruptura de los enlaces covalentes, produciendo fragmentos moleculares aislados, llamados metaplastos y al disponer de un radical libre en su estructura, captan tomos de hidrgeno para estabilizarse. Si esta estructura es pequea se volatiza en forma de tar, de lo contario se combinara con otras sustancias del carbn. La devolatilizacin primaria termina cuando el hidrgeno disponible se ha consumido. Tambin se produce la descomposicin de grupos funcionales a esa temperatura generado gases como vapor de agua, dixido de carbono, metano, etano, eteno y propano. El tipo de carbn determina las proporciones de la materia voltil liberada en forma de tar y de gases que se desprenden en esta etapa (ver Figura 2.3). La devolatilizacin secundaria se puede realizar simultneamente o por separado de la primera, En esta fase los fragmentos moleculares aislados, llamados metaplastos que no se vaporizaron, reaccionan produciendo compuestos como el CH4 de los grupos metilos, el HCN de los tomos de nitrgeno de los anillos, el CO de los grupos etricos y el H2 de la condensacin de los anillos aromticos [16].

14

Figura 2.3. Representacin de los mecanismos involucrados en la primera fase de la pirolisis del carbn [9]

2.2.2.2 Combustin de los productos voltiles En esta etapa, los productos liberados durante la devolatilizacin en forma de tar e incluyendo especies de alquitrn, hidrocarburos y gases como CO2, CO, H2, H2O y HCN, forman una nube alrededor de la superficie de la partcula de carbn para reaccionar con el oxgeno de las proximidades, aumentando la temperatura de la partcula. Este proceso reactivo es muy importante para el control de los xidos de nitrgeno, la formacin de holln, la estabilidad de la llama y para la ignicin del residuo carbonoso. El proceso de la combustin de los productos voltiles sucede en cuatro fases:

I. Macro-mezcla de las partculas en proceso de devolatilizacin con el

oxidante.

II. Micro-mezcla de la nube de voltiles con el oxidante.

III. Oxidacin de las especies voltiles.

15

IV. Transferencia de calor desde la fase gas que contiene los productos de la

combustin de los voltiles, a las partculas de char.

Una vez que ha comenzado la iniciacin de la reaccin en cadena, con la formacin de numerosos radicales libres altamente reactivos, tales como el radical hidroxilo comienzan reacciones a velocidades vigorosas [16]. El oxgeno necesario para la combustin de la materia voltil, lo suministra el aire secundario, el cual primero envuelve la periferia del chorro de aire primario-carbn y con un retardo se difunde al interior de este. Para lograr la combustin eficiente de estos gases se debe favorecer la mezcla de aire secundario con el primario y el carbn, esto se logra por medio de la turbulencia, la cual se puede originar por: la velocidad del flujo de aire primario y el carbn, la liberacin de los gases de combustin y las caractersticas de diseo del quemador. 2.2.2.3 Oxidacin del residuo carbonoso La partcula residual de la devolatilizacin del carbn, de forma esfrica con una estructura porosa, a suficiente temperatura, se oxida por contacto directo con el oxgeno de sus proximidades. El rendimiento del char se ve afectado inversamente por la temperatura, entre ms baja sea la temperatura de devolatilizacin, ms aumenta los rendimientos de carbn y mientras que a temperaturas ms altas de pirolisis hay una disminucin de los rendimientos de carbn [16]. La reaccin gas-slido se produce cuando el oxgeno gaseoso se difunde al interior de la partcula y reacciona con la superficie. Este proceso heterogneo es mucho ms lento que el proceso de devolatilizacin y la velocidad de reaccin depende de:

Variaciones en la estructura del carbn

Difusin de los reactivos

Efectos del tamao de la partcula

Difusin en los poros

Disminucin de la reactividad del residuo carbonoso

Presencia de catalizadores minerales

Cambios en el rea superficial durante la reaccin

Fragmentacin del residuo carbonoso

Efectos de la temperatura y la presin

Presin parcial del oxidante

2.2.3 Productos y contaminantes generados en el proceso de la combustin Los productos que se generan en el proceso de la combustin del carbn especialmente dixido de azufre (SO2), xidos de nitrgeno (NOx), monxido de

16

carbono (CO), dixido de carbono (CO2) y material particulado, partculas que pueden contener metales como plomo, cromo, nquel, arsnico, mercurio y sustancias orgnicas complejas. Son una fuente importante de contaminacin al tener en cuenta las grandes cantidades de combustible quemado y los volmenes de gases producidos en el proceso de generacin elctrica, por lo tanto la centrales termoelctricas representan una fuente transcendental de emisiones de contaminantes atmosfricos. Los gases producto del proceso de la combustin en las centrales termoelctricas a carbn son emitidos a la atmsfera a travs de la chimenea de emisin, cuya altura y dimetro obedece generalmente a parmetros termodinmicos de diseo y normativas ambientales, pero tambin, hay que tener en cuenta las emisiones de partculas de los patios de almacenamiento del combustible y de los patios de disposicin de ceniza [10], las cuales tambin pueden llegar a ser agentes contaminantes.

xidos de azufre (SOX) La fuente primaria de xidos de azufre es la quema de combustibles fsiles, debido a que el azufre presente en los combustibles reacciona con el oxgeno en el proceso de combustin. Los xidos de azufre una vez emitidos, por procesos fsico-qumicos en la atmsfera son fuente de material partculado ultra fin que afecta la calidad del aire al contribuir a la formacin de lluvia cida que puede perjudicar las fuentes de agua, la flora, la fauna y materiales de construccin; igualmente, es un generador de enfermedades respiratorias [17].

xidos de nitrgeno NOx Los xidos de nitrgeno (NOx) incluyen compuestos como xido ntrico (NO) y dixido de nitrgeno (NO2), producto de las diferentes combinaciones de nitrgeno y oxgeno. Una relacin aire/combustible reducida en el proceso de combustin da lugar a altas emisiones de xidos de nitrgeno. Adicionalmente, las altas temperaturas que se registran en el interior de las cmaras de combustin y/o calderas favorecen la oxidacin del nitrgeno atmosfrico, producindose xidos de nitrgeno que son expulsados por la chimenea de escape [17].

Monxido de carbono (CO) El monxido de carbono es un gas venenoso, que se produce en la combustin incompleta de combustible fsiles, es un gas ms pesado que el oxgeno o el aire y desplaza al oxgeno de la atmsfera en pequeas cantidades; causa dolores de cabeza, mareos y nauseas al inhalarse en concentraciones considerables, en grandes cantidades es mortal [17], debido al bloqueo del transporte de oxgeno,

17

generado por la molcula de hemoglobina, una protena compleja presente en la sangre, donde este gas ejerce un efecto competitivo con el oxgeno, produciendo la carboxihemoglobina e impidiendo la transferencia y el transporte de oxgeno en el cuerpo, causando la muerte debido a una anoxia cerebral [11].

Material particulado El material particulado son las partculas slidas o lquidas del aire, incluyen contaminantes primarios como el polvo y holln y contaminantes secundarios como partculas lquidas producidas por la condensacin de vapores. Siendo las partculas con menos de 10 y 2,5 micrmetros de dimetro (PM10 y PM2,5) las ms peligrosas para el hombre al tener mayor probabilidad de ingresar a la parte interna de los pulmones [17].

Cenizas Durante la combustin del carbn, se producen la ceniza de la material mineral presente inicialmente en el carbn, algunas de estas partculas chocan contra la pared del horno a altas temperaturas, por lo que pueden fusionarse para formar depsitos de escoria [18]. La acumulacin de gruesas capas de ceniza en las paredes del horno aumenta la resistencia en el proceso de transferencia de calor, reduciendo as la eficiencia trmica de la caldera. Para minimizar los efectos de la ceniza que se acumulan, estos depsitos se retiran peridicamente por medio de sopladores de holln. La cantidad de ceniza que se produce depende principalmente de la calidad del carbn utilizado y si se ha limpiado en una planta de lavado de carbn despus de ser extrado para eliminar esquisto, roca y escombros. La calidad y cantidad de la ceniza, adems de influye en la calidad de la combustin as como tambin en la eficiencia de transferencia de calor, aumenta las dificultades de su correcta eliminacin favoreciendo problemas de escorias y corrosin. Cenizas de fondo: la ceniza de fondo constituye aproximadamente del 8 al 15% de la ceniza total y consiste en partculas muy gruesas y grandes terrones o aglomerados que se recogen en el fondo del hogar de la caldera para ser eliminados peridicamente de esta [18]. Cenizas voltiles o volantes: del 85-92% restante de cenizas es mucho ms finas y son llevadas por los gases de combustin a lo largo de la ruta que estos realizan hasta su salida al ambiente [18]. Esta ceniza se conoce comnmente como ceniza de combustible pulverizada (PFA) o simplemente ceniza voltil. La fraccin ms fina y en general, el mayor porcentaje, se recogen en las tolvas de los precipitadores electrostticos. Esta ceniza tiene tpicamente un tamao medio de partcula que vara aproximadamente entre 150 micras en las tolvas de

18

economizador y 30 micras en las tolvas de los precipitadores electrostticos. Dentro de los diversas zonas del precipitador electrosttico, las cenizas recogidas en la fila inicial de las tolvas, en la direccin del flujo de gas, es de un tamao de partcula promedio ms alto en comparacin con la ceniza recolectada en la ltima fila de las tolvas, caracterstica que se ilustra en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Tamaos tpicos de la ceniza en las tolvas de recoleccin [18]

2.2.4 Inquemados

La consecuencia ms importante de los inquemados en la ceniza voltil es que representan una fuente significativa de prdida de combustible, afectando la eficiencia del proceso y los costos de produccin. Pero tambin hay que tener en cuenta que los inquemados afectan el adecuado funcionamiento de la caldera al originar erosin en los tubos de los diversos intercambiadores y su deposicin en ellos forma una barrera (incrustaciones y escorificacin) que disminuye la transferencia de calor entre los gases y el banco de tubos del hogar de la caldera [9]. Dentro de los factores o causas que sean reportado en la literatura, que influyen en la cantidad de inquemados en una planta de potencia se pueden agrupar en [9]:

1. Propiedades y caractersticas inherentes del carbn pulverizado y del

residuo carbonoso: como la composicin elemental y maceral (material

inorgnico), la estructura intrnseca del residuo carbonoso, reactividad y

cambios del rea superficial durante la reaccin, fragmentacin del residuo,

la composicin y propiedades de la ceniza.

2. Acondicionamiento, preparacin y molienda del carbn: tamaos mayores

de la partcula del carbn dan lugar a ms inquemados dada la dificulta de

19

la trasferencia de oxgeno al interior de la partcula afectando la velocidad

de la oxidacin.

3. Caractersticas del diseo y operacin de los quemadores y del hogar:

Dentro de las consideraciones de diseo estn: la posicin de las entradas

de aire secundario, distribucin y cantidad de quemadores, las

temperaturas de aire primario y secundario, la relacin aire/combustible,

las temperaturas de combustin, el tiempo de residencia de las partculas,

entre otros parmetros que afectan el proceso de combustin.

2.2.4.1 Medicin de inquemados presentes en la ceniza voltil La toma de muestra se recomienda realizarla en la primera fila del precipitador electroesttico, hay que recordar que la ceniza voltil representa el 60-80 % de la ceniza total, siendo este valor difcil de cuantificar con precisin en una instalacin industrial. Una vez tomada la muestra, se pueden utilizar tres mtodos distintos para determinar el contenido de carbono en las cenizas: 1. Carbono en cenizas (Carbon-in-ash, CIA): es el porcentaje msico de carbono en la ceniza despus de la combustin. 2. Prdida de ignicin (Loss of Igniton, LOI): este mtodo alternativo mide el calor liberado por la ceniza bajo condiciones especificadas. 3. Prdida de combustin (Combustion loss, CL): el valor expresa el calor remanente en el carbono inquemado como un porcentaje del poder calorfico del carbn original. Al conocer el poder calorfico del carbn original y el contenido en ceniza, es posible determinar el CL a partir del CIA, y viceversa. Teniendo en cuenta el anlisis prximo y el mtodo carbono en cenizas (Carbon-in-ash, CIA), los inquemados se calculan as:

(2.10) Una medicin exacta de los inquemados es difcil de hacer dado que parte del carbn pulverizado por tener tamaos tan pequeos se escapan con los gases de combustin. 2.3 Centrales termoelctricas Las centrales termoelctricas transforman la energa qumica de los combustibles ya sean gaseoso, lquido o slido en energa elctrica, por medio del ciclo del vapor. El proceso para las diversas centrales trmicas es igual e independiente del tipo de combustible, este se resume en los siguientes pasos [20]:

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El combustible es quemado en la caldera y la energa qumica almacenada en los enlaces es liberada en forma de calor.

El agua del circuito cerrado de la caldera se calienta con el calor de la combustin, hasta la evaporacin. Este vapor es sobrecalentado para alcanzar velocidades y presiones superiores [ver Figura 2.5].

El vapor se transporta hasta la turbina donde hace girar los labes, esta energa mecnica se transforma finalmente en elctrica por medio de un alternador. El sistema de turbina-alternador se denomina en algunas ocasiones turbogenerador.

El vapor residual es enfriado y condensado por medio de agua de enfriamiento (sistema de enfriamiento).

El agua condensada vuelve de nuevo a la caldera para repetir el ciclo. El flujo de gases de combustin, pasan por una serie de intercambiadores de

calor, como los sobrecalentadores, recalentadores, economizadores y precalentadores de aire, seguidamente llegan a los equipos de eliminacin y recoleccin de partculas. Donde los ms usados son los precipitadores electrostticos, con eficiencias superiores al 95%. Los gases residuales pueden pasar a otras unidades para la eliminacin de NOx o desulfuracin. Por ltimo es conducido a la chimenea para ser emitidos a la atmosfera.

Figura 2.5. Generacin del vapor en la caldera

Fuente: Autor

2.3.1 La caldera Las calderas son equipos en donde se aprovecha la energa de la reaccin entre el combustible y el oxgeno, para la generacin de vapor de agua, la cual es calentada y posteriormente evaporada al superar la temperatura de ebullicin. Los diversos tipos de calderas que hay en el mercado dependen del tipo de

21

combustible, capacidad, tamao, consideraciones de diseo, pero la principal clasificacin que existe para las calderas es la que tiene en cuenta por donde circulan los gases y el agua [19,20]: 1) Pirotubulares, humotubulares o igneotubulares: el conjunto de los gases calientes va por el interior de los tubos y el agua va por la carcasa en donde se calienta, dada esta configuracin este tipo de caldera no se ve afectada por fluctuaciones de demanda de vapor, pero requieren ms tiempo para llegar a la presin de trabajo [21]. De esta configuracin de caldera se destaca su baja capacidad de producir vapor de agua a altas presiones y el gran peligro de explosin o ruptura que involucra el gran volumen de agua almacenado (ver Figura 2.6).

Figura 2.6. Caldera pirotubular [11]

2) Acuotubulares: el hogar de la caldera est formado por una pared de tubos por donde pasa el agua y el vapor (ver Figura 2.7).

Figura 2.7. Caldera acuotubular [11]

22

Las condiciones de operacin permiten alcanzar presiones de vapor de hasta 300 psig y altas capacidades de forma segura y eficiente, por lo que son usadas en la industria energtica para la produccin de electricidad. Pero requieren de un control qumico muy estricto del agua de alimentacin dada la inaccesibilidad de las partes y la posibilidad de paradas operacionales por ruptura de tubos obstruidos por impurezas y contaminantes del fluido trmico [21]. 2.3.1.1 Partes de la caldera En las calderas se resaltan cinco partes, el hogar, el quemador, las zonas de circulacin de gas, las zonas del fluido trmico y la chimenea. En el hogar est la cmara de combustin en donde se dan las condiciones y se realiza la reaccin de oxidacin y el cenicero, en donde se recogen los productos ms pesados de la combustin que son las cenizas de alto peso molecular. El quemador el cual de acuerdo al tipo de combustible y tamao de partcula va a tener una configuracin determinada. Las zonas de circulacin de gases de combustin en las que se aprovecha la energa de estos para ser transferida al agua y aire que posteriormente entraran en la caldera. En la zona del fluido trmico, el agua, se calienta, evapora y recalienta para alcanzar presiones y temperaturas superiores. Y por ltimo, la chimenea que es el ducto por el que los gases de combustin salen; por lo general, estos gases antes de salir a la atmosfera son tratados para reducir las emisiones contaminantes por medio de un precipitador electrosttico [22].

Caldern o domo

El caldern es un recipiente de configuracin horizontal de mayor o menor espesor en funcin del vapor producido. La misin del caldern es acumular en la parte inferior el agua que es distribuida a los distintos colectores (banco de tubos) de la cmara radiante y a su vez separar en la parte alta el vapor de las partculas de agua que lleva. Se mantiene aproximadamente con un 50% de nivel de agua.

Recalentador Es la seccin de tubos que aprovecha el calor de los gases de combustin y la radiacin del hogar para elevar la temperatura del vapor que en la turbina ha perdido energa trmica y presin por la expansin. El recalentador vuelve a sobrecalentarlo para aumentar el rendimiento del ciclo del vapor, evitando condensaciones en las tuberas y corrosin por erosiones.

Sobrecalentadores Es una seccin de tubos que tienen como objetivo aumentar la temperatura del vapor por encima de la temperatura de saturacin, entregando un vapor sobrecalentado el cual es poco condensable, ms energtico y con una

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temperatura constante. Algunos sobrecalentadores estn divididos en secciones para ayudar al control de la temperatura del vapor y optimizar la recuperacin del calor [22]. En la industria hay tres tipos de sobrecalentadores segn la forma de transferencia de calor, de convencin, de radiacin y de fuego separado o externo.

Down-Comer Se llaman down-comer (tubos de bajada) a los tubos de caldera que conectan el caldern con la parte inferior de la zona de radiacin, es decir, son los tubos bajantes del caldern. En esta zona el agua tiene un pequeo aumento de temperatura antes de pasar a la zona de radiacin. Este incremento de temperatura se produce a travs de los humos de la combustin, que previamente ya vienen del intercambio calorfico producido en el recalentador.

Precalentador de Aire Dado que los gases de combustin an tiene temperatura elevadas, estos pasan por un sistema para precalentar el aire hasta unos 160C aproximadamente, mejorando la combustin y por ende el rendimiento del proceso. 2.3.1.2 Funcionamiento de la caldera El proceso de funcionamiento de la caldera se puede dividir en dos etapas, el primero de ellos el circuito de agua y el otro el de gases, que se pueden explicar de forma independientes pero que dependen mutuamente entre s, para logara la generacin de vapor de calidad.

Circuito de agua El agua de alimentacin BFWH (Boiler Feed Water High) llega al caldern y desde all, a travs de los down-comer llega hasta el colector inferior. Desde este colector de distribucin, el agua precalentada pasa a travs de los tubos alimentadores (risers), situados en las paredes del hogar de la caldera [23]. El vapor se genera en estos tubos recogindose despus, en los colectores superiores de las paredes laterales. El vapor pasa a continuacin por los tubos de descarga del caldern y por los separadores a la cmara de vapor, ubicados por encima del agua del caldern. El agua separada del vapor se condensa en el caldern; si la demanda de vapor es muy variable, el volumen de esta cmara debe ser mayor, de manera que aumente tambin la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor, para asegurar la calidad del vapor [23]. Luego pasan por unos secadores, donde el vapor debe chocar en una serie de tabiques que le hacen cambiar de direccin y as eliminar los restos de humedad del vapor. El vapor saturado SH (Steam High) pasa al colector de entrada del recalentador que consta de dos etapas (recalentador primario y recalentador secundario). A

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continuacin, el vapor pasa al colector general de vapor, desde donde se redistribuye a las diferentes unidades del complejo qumico. El vapor sobrecalentado pasa a la turbina y luego al condensador, donde por lo general el 99% del agua condensada es almacenado en un tanque para ser enviado a la caldera como agua de alimentacin, el transporte es realizado por una bomba la cual la lleva hasta la caldera y le da una presin un poco superior para poder entrar a esta. El agua restante es usada como agua de relleno y purgas. El agua para calderas debe ser tratada qumicamente mediante procesos de descarbonatacin o ablandamiento, o desmineralizacin total, adicionalmente, segn la presin manejada por la caldera, es necesario controlar los slidos suspendidos, slidos disueltos, dureza, alcalinidad, slice, material orgnico, gases disueltos (dixido de carbono y oxgeno), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera sufrir problemas de incrustaciones, sedimentacin, desgaste por material particulado, etc. [23].

Circuito de gases A parte de los gases producto de la combustin, se consideran tambin humos o gases de escape al nitrgeno (N2), que no interviene en la combustin, el vapor de agua (H2O), que se origina y el exceso de oxigeno que no reacciona con el combustible. Los humos en la combustin contienen una alta energa trmica, que es usada en diferentes intercambios trmicos que ayudarn a producir el vapor necesario. Por medio de tres partes fundamentales dentro del hogar donde se producirn dichos intercambios de calor: Zona de Radiacin, Zona de Conveccin y Recalentador. Despus de ceder gran parte de su energa trmica los gases aumentan la temperatura del aire que va a ser introducido a la caldera, pasan por una serie de intercambiadores de calor, como los sobrecalentadores, recalentadores, economizadores, precalentadores de aire, seguidamente llegan a los equipos de eliminacin y recoleccin de partculas (precipitadores electrostticos). Los gases residuales pueden pasar a otras unidades para la eliminacin de NOx o desulfuracin. Por ltimo es conducido a la chimenea para ser emitidos a la atmosfera. 2.3.2 Termotasajero S.A. E.S.P.

La planta de la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. se encuentra en jurisdiccin del municipio del Zulia, Norte de Santander, Colombia; sobre la margen derecha del rio Zulia, a una altura de 260 metros sobre el nivel del mar y a 30 Km de la ciudad de Ccuta y su sede administrativa se encuentra en Bogot D.C.

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La empresa Termotasajero S.A. E.S.P. surge en 1981 ante la necesidad de superar la crisis de los aos setenta en el pas, con iniciativa del Instituto Colombiano de Energa Elctrica, (ICEL) y Centrales Elctricas del Norte de Santander (CENS), que presentan la iniciativa y estudios de factibilidad para la construccin de una central elctrica a base de carbn que estuviera ubicada en el departamento de Norte de Santander. Una vez culminado su construccin y pruebas de operacin comercial, la central elctrica entra en el mercado en el ao de 1984, llamada inicialmente Central Termoelctrica de Tasajero fue administrada por el Instituto Colombiano de Energa Elctrica (ICEL), posteriormente fue dada en dacin al Ministerio de Hacienda y Crdito Pblico y en 1996 se privatiza pasando a llamarse TERMOTASAJERO S.A. E.S.P. Actualmente los accionistas son extranjeros y nacionales y sigue siendo una pieza clave para suplir las necesidades energticas del pas [24]. 2.3.2.1 Proceso de operacin El proceso de generacin de electricidad se realiza por medio de la oxidacin del carbn con aire [ver Figura 2.8]. Este ltimo es alimentado por dos ventiladores de tiro forzado y tres ventiladores de aire primario al calentador rotatorio, que por medio de los gases de la combustin aumenta la temperatura de este. Posteriormente el flujo de los ventiladores de aire primario va a los pulverizadores donde transporta al carbn hasta los quemadores del hogar de la caldera, el aire restante se introduce directamente para realizar la combustin; la energa trmica liberada por la reaccin hace cambiar de fase el agua, de lquida a vapor sobrecalentado con 538C de temperatura, el vapor se traslada a la turbina donde la presin de 127 Kg/cm2 mueve los labes para finalmente por medio de una generador dar origen a la energa elctrica (ver Tabla 2.4). Los gases productos de la combustin salen del hogar pasando primero por el economizador, de all en adelante se dividen en dos flujos, lado A y lado B, para llegar al calentador de aire y seguir al precipitador electrosttico donde se realiza una reduccin de contaminantes, especialmente de la ceniza voltil y finalmente por medio de los ventiladores de tiro inducido salir por la chimenea. En la seccin de cada ductos de los gases de combustin, ubicada entre el economizador y el calentador de aire, estn localizadas dos lanzas de muestreo continuo de oxgeno de diferentes longitudes y tres puntos de muestreo Orsat, para el monitoreo de los productos de la combustin, parmetro importantes en la operacin del Sistema aire y gases de caldera (ver Anexo A).

26

Figura 2.8. Esquema del sistema aire y gases de caldera

Fuente: Autor

Tabla 2.4. Caractersticas del proceso de generacin de energa elctrica [25] Capacidad bruta 163000Kw

Capacidad neta 153000KW

Tipo de combustible Carbn (principal)

Fuel-oil y ACPM (auxiliares)

Eficiencia neta 35,7% Consumo especifico trmico neto 2410 Kcal/KWh

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2.3.2.2. Materia prima El carbn es el principal combustible procede de las minas localizadas en un radio de 40 Km de la central trmica; en la empresa es almacenado asegurando una produccin de 60 das sin contratiempos. Combustible fsil que se distingue por tener concentraciones bajas de ceniza y humedad, como tambin, presenta porcentajes de materia voltil de 36% y un poder calorfico de 6700 Kcal/Kg, en trminos generales, es un carbn de clase bituminoso de excelente calidad tanto para el proceso de combustin como para el medio ambiente al tener un contenido mnimo de azufre, garantizando una reduccin en las emisiones contaminantes producto de esta sustancia qumica. En las Tablas 2.5 y 2.6 se presenta la caracterizacin realizada al carbn de consumo, en el periodo de servicio comprendido del 2 de enero al 14 de marzo del 2014; el anlisis estadstico est fundamentado en 35 muestras, de das aleatorios de operacin.

Tabla 2.5. Anlisis prximo del carbn de consumo

Anlisis estadstico

Anlisis prximo (porcentaje en peso)

Humedad Ceniza

Materia voltil

Carbono fijo

Azufre

Poder calorfico

Superficial Residual Total Kcal/Kg

Promedio 2,54 1,86 4,36 13,90 36,53 45,21 1,46 6746

Mediana 2,46 1,87 4,34 13,95 36,57 45,11 1,45 6749

Valor mximo 3,26 2,18 5,26 14,98 36,76 46,50 1,65 6863

Valor mnimo 1,92 1,53 3,46 12,75 36,26 44,27 1,31 6639

Desviacin Estndar 0,40 0,16 0,48 0,60 0,15 0,57 0,10 53

Fuente: Autor

Tabla 2.6. Caracterizacin del carbn usado en Termotasajero.S.A. E.S.P.

Clase de carbn Antracita Bituminoso

Subbituminoso Lignito Rango Termotasajero

Humedad (%) 3-6 2-15 3,5-4,4 10-25 25-45

Materia Voltil (%) 2-12 15-45 36,5-36,8 28-45 24-32

Carbn fijo (%) 75-85 50-70 44,3-46,5 30-57 25-30

Cenizas (%) 4-15 4-15 12,8-15 3-10 3-15

Azufre (%) 0,5-2,5 0,5-6 1,3-1,7 0,3-1,5 0,3-2,5

Poder calorfico (Kcal/Kg)

6667-7500 6667-8056 6639-6863 4167-5556 3334-4167

Fuente: Autor

Como combustible alterno se usa combustible ligero lquido (ACPM) y fuel-oil para el arranque o encendido de la caldera.

El agua usada para el sistema de enfriamiento y para la produccin de agua desmineralizada del ciclo cerrado agua-vapor, es tomada del Rio Zulia, una fuente con estndares de calidad altos y sin contaminantes.

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CAPTULO III

METODOLOGA PARA EL ANLISIS DE GASES DE COMBUSTIN

Para el anlisis de la evaluacin de la calidad de la combustin se tuvo en cuenta la medicin de la concentracin de monxido de carbono, dixido de carbono y oxgeno en los gases de caldera, en el punto de muestreo Orsat ubicado entre el economizador y el calentador de aire. En este sector se ubicaron tres lanzas en acero inoxidable en el lado A como en el lado B (ver Figura 3.1 y 3.2), cada lanza tienen tres tubos de diferentes longitudes dividiendo en un total de nueve puntos simtricos el rea transversal de cada ducto, como se ilustra en la Figura 3.3, permitiendo tener una muestra representativa del flujo total de los productos de la combustin.

Figura 3.1. Lanza de muestreo Orsat

Fuente: Autor

Figura 3.2. Punto de muestreo, salida del economizador lado B

Fuente: Autor

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Figura 3.3. Esquema de secciones de muestreo en los ductos de los gases de combustin

Fuente: Autor Cada lanza se conecta a un tubo de cobre que transporta la muestra hasta una mesa, aqu las tres se unifican en una sola por medio de un trinche y finalmente se conecta al sistema de muestreo, el cual permite extraer de forma segura y eficiente los gases de combustin, para ser medidos por el equipo analizador de gases PCA3 Bacharach versin V 1.01 de modelo 225 (ver Anexo B); un dispositivo porttil y electrnico que cuenta con un sensor de celda electroltica para determinar la concentracin de monxido de carbono y otro para el oxgeno, el dixido de carbono lo calcula segn una relacin entre los valores medidos de los compuestos antes nombrados. La concentracin del oxgeno obtenida se compar con los valores indicados por las cuatro lanzas de medicin continua de oxgeno, localizadas en esta misma zona. De igual forma, los valores de los gases analizados se relacionaron con las especificaciones del Sistema aire y gases de caldera, el clculo de aire alimentado, el exceso de aire, el flujo de carbn y el porcentaje de inquemados en la ceniza voltil, permitiendo establecer la influencia y relacin entre dichas variables. El clculo terico de las condiciones de aire para el proceso requiri del uso de los anlisis prximos del carbn consumido y realizar las correcciones pertinentes a la temperatura y presin de caldera. 3.1 Sistema de muestreo El sistema de muestreo y procedimientos realizados para las mediciones del presente trabajo, est basado en el mtodo 3 Anlisis de gases para la determinacin del peso molecular base seca promulgado en el Cdigo Federal de Regulaciones de los Estados Unidos (CFR) y se aplicaron las recomendaciones presentes en el Protocolo para el control y vigilancia de la contaminacin atmosfrica generada por fuentes fijas (2010) [17,26]. La eleccin de dicho mtodo se debe principalmente a la presin ligeramente negativa en la cual opera la caldera, por lo que es necesario una tcnica para extraer la muestra de forma segura y representativa. Durante el desarrollo de las tomas de muestras, se realizaron modificando en el sistema de muestreo hasta obtener un mtodo confiable, veraz, rpido y especfico; en las siguientes lneas se ilustra dicha evolucin.

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Sistema de muestro No.1 El procedimiento de la toma de la muestra consiste en captar la muestra del ducto de salida de los gases de combustin por medio de las flautas de muestreo, de all, pasa por un tubo de cobre al puesto de medicin, la muestra burbujea en una solucin acidulada de cloruro de sodio, donde se elimina el vapor de agua, material particulado y cenizas. Posteriormente el gas pasa a la bomba de succin que lo manda al segundo recipiente para luego salir al equipo de medicin, este segundo recipiente sirve como filtro y tambin para amortiguar la presin dada al gas por la bomba evitando el agotamiento mecnico de las partes y sensores del equipo PCA3; el sistema de muestreo se puede apreciar en la Figura 3.4. La solucin acidulada, est formada por una solucin de cloruro de sodio al 22%, coloreada con naranja de metilo y acidulada con cido clorhdrico hasta obtener una variacin a rojo. Esta solucin forma una membrana filtrante que permite el paso de los gases de medicin sin inconvenientes y retener impurezas tanto slidas como lquidas que pueden causar dao a los equipos. La solucin vara su color al naranja cuando ya ha pasado su tiempo de vida til y es necesario su reemplazo.

Figura 3.4. Sistema de muestreo No.1

Fuente: Autor

Sistema de muestreo No.2 Se realiz una modificacin en el sistema de toma de muestra dado que se observ que el recipiente con la solucin acidulada no retena toda la ceniza y la humedad de la muestra, lo cual es perjudicial para el equipo de muestreo PCA3. Por lo tanto, se cambio del segundo recipiente por dos tubos, uno con algodn, cuya funcin es servir como filtro, el otro con silica gel encargada de eliminar la humedad, este arreglo se observa en la Figura 3.5.

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Figura 3.5. Sistema de muestreo No.2

Fuente: Autor

Sistema de muestreo No.3 Por ltimo, despus de realizar las pruebas y ensayar varias configuraciones para obtener un sistema de muestreo seguro y confiables, se concluy, que el mejor sistema de muestreo consista, en una trampa de ceniza con la solucin acidulada de cloruro de sodio al 22% en peso y una trapa de humedad ubicada antes de la bomba de vaci, permitiendo obtener una muestra libre de partculas y sustancias que puedan reducir el tiempo de vida til de la bomba de vaco y al equipo analizador de gases PCA3, el sistema se presenta en la Figura 3.6. De igual forma, se estableci la realizacin de una purga con el gas de muestra por espacio de 3 a 5 minutos antes de iniciar la medicin por un tiempo de 3 minutos, en los cuales se logra la estabilizacin del equipo analizador de gases.

Figura 3.6. Sistema de muestreo No.3

Fuente: Autor

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3.2 Pruebas preliminares El sistema de muestreo y el equipo analizador de gases PCA3, fueron sometidos a pruebas antes y durante el proceso de muestreo con el objetivo de verificar, comprobar, calibrar y realizar los ajustes pertinentes para asegura la veracidad de la toma de la muestra y de los valores calculados. A continuacin se presentan los procedimientos ms relevantes. 3.2.1 Calibracin del sensor de CO(Bajo) del PCA3 El equipo PCA3 presenta dos rangos para el clculo de los niveles de monxido de carbono, el primer rango es de 0 a 2000 ppm (CO(Bajo)) y el otro es de 2001 a 20000 ppm (CO(Alto)). La calibracin realizada es para un sensor de nivel bajo de monxido de carbono, en tal procedimiento se us el kit de calibracin P/N 0024-0492 y un cilindro de aire con una concentracin de 500 ppm de monxido de carbono [26], en la Figura 3.7 se aprecia el sistema de calibracin usado.

Figura 3.7. Sistema de calibracin de CO(Bajo) [26]

Partes del kit de calibracin 24-7059:

1. Cilindro de gases con 500ppm 2. Regulador 3. Tubera plstica 4. Rotmetro 5. Puerto para la muestra

3.2.2 Prueba de la trampa de vapor En esta prueba se instal el sistema como se aprecia en la Figura 3.8 para verificar y comprobar la efectividad del sistema al tomar la muestra, como tambin el correcto funcionamiento de la bomba y de la trampa de ceniza.

33

El ensayo descart la posibilidad de interferencias por una posible absorcin de los gases de oxgeno, monxido de carbono y dixido de carbono, especialmente, por parte de la solucin que hace parte de la trampa de ceniza, esta conclusin se obtiene despus de realizar mediciones sin y con la trampa de ceniza y posteriormente corroborar que los datos obtenidos son iguales para las dos configuraciones del sistema de muestreo.

Figura 3.8. Muestreo de gases de combustin de un automvil

Fuente: Autor

3.2.3 Prueba hidrulica

Se procedi a realizar una prueba con el sistema de muestreo y tres patrones estndar de oxgeno, como se ilustra en la Figura 3.9. Este ensayo permite verificar el correcto funcionamiento del sistema de captacin de muestra empleado y la ausencia de fugas o filtracin de gases. Tambin, es importante resaltar que se comprob de nuevo que la solucin niveladora no absorbe los gases de inters.

Figura 3.9. Prueba hidrulica

Fuente: Autor

34

En la Tabla 3.1, se aprecian las concentraciones obtenidas en cada prueba y su comparacin con lo indicado en los patrones, diferencia que se indica como porcentaje de error, todas las muestras se realizaron con un flujo constante de 4,7 L/min.

Tabla 3.1. Prueba hidrulica Porcentaje de oxgeno en volumen Error

Patrn Medicin %

0,48 0,55 14

8 8,1 1,25

4 4 0

Fuente: Autor 3.3 Calculo terico de los requerimientos de la combustin

Se plantean las ecuaciones del balance global de masa y se determinan los valores de las diversas relaciones estequiometricas de las reacciones reales del carbn, estos datos son obtenido al considerar independientemente la oxidacin del azufre, carbono e hidrgeno; por medio de estas relaciones y de los valores obtenidos en el anlisis de los gases de combustin, como tambin, de los anlisis prximos del carbn se calcula los flujo msicos de entada y salida de las diversas sustancias involucradas en este proceso (ver Figura 3.10).

Figura 3.10. Balance global de masa

Fuente: Autor

En el proceso de la combustin no todo el carbono se oxida originando dixido de carbono, sino tambin, monxido de carbono, para establecer la estequiometria de esta reaccin se puede plantear la siguiente ecuacin global de la reaccin del carbono con el oxgeno (ver Ecuacin 3.1).

(3.1)

CO2 CO O2 H2O N2 Cenizas C

C Cenizas

Aire (Ventilador de tiro

forzado)

Aire (Ventilador de aire

primario)

Carbn

Caldera

35

Para realizar los diversos clculos tericos se consideraron las reacciones de forma independiente:

Las relaciones en base de los valores obtenido del anlisis de los gases, son:

, ; ,

Para el azufre se tiene en cuenta el contenido de este en el carbn, el cual es obtenido por medio del anlisis inmediato del carbn de consumo.

,

Para el hidrgeno se realiza de forma similar y su clculo se realiza por medio de una relacin establecida entre los anlisis prximos y ltimos del carbn (vase Ecuacin 3.11).

,

3.3.1 Determinacin del oxgeno terico Para la determinacin del oxgeno requerido, se suman las demandas de este en la oxidacin del carbono, el azufre y el hidrgeno, y se le resta el aporte del oxgeno presente en el carbn.

(3.6) 3.3.2 Clculo del oxgeno del carbn

(3.7)

36

Donde: %O= Porcentaje msico de oxgeno %C= Porcentaje msico de carbono %H= Porcentaje msico de hidrogeno %N= Porcentaje msico de nitrgeno %S= Porcentaje msico de azufre %A= Porcentaje msico de humedad total %Cz= Porcentaje msico de ceniza La concentracin msica del azufre, la humedad total y la ceniza son determinados por medio del anlisis prximo realizado en el laboratorio de forma diaria para el carbn de consumo; para la determinacin del carbono, hidrgeno y nitrgeno se us una serie de relaciones empricas presentes en la literatura que permiten por medio de los anlisis prximos del carbn obtener valores muy cercanos de las concentraciones de estos, segn los valores enseados en los anlisis ltimos. Para tal fin, se us una base de datos de anlisis inmediatos y ltimos de carbones con composicin qumica muy similar al usado en el proceso de la combustin en la empresa Termotasajero S.A. E.S.P. (vase el anlisis prximo al carbn de consumo en la Tabla 2.5), se aplico la ecuacin propuesta en la literatura para hallar las concentraciones respectivas, se estableci su desviacin segn lo reportado en el anlisis ltimo. Posteriormente se estim un factor de correccin para cada una de las ecuaciones que permite disminuir el porcentaje de error y as ejecutar los clculos del oxgeno y aire requeridos para una combustin estequiometrica, lo ms exactos posibles. A continuacin se presenta la comparacin de los resultados obtenidos al calcular las ecuaciones propuestas en la literatura y las ecuaciones con el factor de correccin, junto con la base de datos de los anlisis ltimos. Clculo del carbono total El clculo de la concentracin msica del carbono en el carbn obtenida por la ecuacin con el factor de correccin presenta un porcentaje de error inferior al 5% en comparacin con la planteada tericamente segn la bases de datos de los anlisis ltimos consultados en la literatura y se obtiene una divergencia menor al 4% para carbones con una materia voltil entre 28% a 37% y un poder calorfico entre 25000-30000 KJ/Kg (vase Grfica 3.1).

[27]

(3.8)

(3.9)

37

Donde: %C= Porcentaje msico de carbono total PC= Poder calorfico (KJ/Kg) MV= Porcentaje msico de materia voltil2 FC= Factor de correccin 0,93 Grfica 3.1. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de carbono

en el carbn

Fuente: Autor

Clculo del hidrgeno La ecuacin con el factor de correccin para el clculo de hidrgeno es apropiada para aplicarla en carbones con un poder calorfico entre 28000 a 32000 KJ/kg y la materia voltil entre 28% a 37%, dando origen un error menor o igual al 6%, como queda demostrado en la comparacin del valor calculado y el indicado en los anlisis ltimos (ver Grfica 3.2).

[2] (3.10)

(3.11) Donde: %H= Porcentaje msico de hidrgeno PC= Poder calorfico (KJ/Kg) MV= Porcentaje msico de materia voltil FC= Factor de correccin 0,98

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Grfica 3.2. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de hidrgeno en el carbn

Fuente: Autor

Clculo de nitrgeno Para carbones que tengan un porcentaje de materia voltil entre el 35% al 39% y un poder calorfico en el rango de 25000 a 31000 KJ/Kg, la ecuacin con el factor de correccin es til para la determinacin de la concentracin msica de nitrgeno en el carbn y obtener un porcentaje de error menor o igual al 6%, como se demuestra al confrontar los valores calculados por la ecuacin con y sin factor de correccin y los reportados en los anlisis ltimos del carbn (ver Grfica 3.3).

[27]

(3.12)

(3.13) Donde: %N= Porcentaje msico de nitrgeno MV= Porcentaje msico de materia voltil FC= Factor de correccin 1,05

39

Grfica 3.3. Validacin de la ecuacin de clculo de la concentracin de nitrgeno en el carbn

Fuente: Autor

3.3.3 Clculo del aire terico y exceso de aire

Para la determinacin del aire terico se tiene en cuenta los datos de la Tabla 2.3 y la relacin de aire/oxgeno y nitrgeno/oxgeno.

;

El exceso de aire se halla por medio de la relacin de aire terico y la suma del flujo real de aire primario y secundario que entra a la caldera.

(2.14)

(2.15)

El clculo del flujo de aire se baso en las especificaciones de diseo de los ventiladores de aire primario y de tiro forzado, junto con el porcentaje de apertura de las compuertas y el porcentaje de flujo de aire, respectivamente; datos indicados en el diagrama del Sistema aire y gases de caldera (ver Tabla 3.2).

Tabla 3.2. Especificaciones de los ventiladores

Ventiladores Flujo volumtrico Densidad del aire Flujo msico

m3/h Kg/m3 Ton/h

De aire primario 277448,5 1,0812 299,99

De tiro forzado 107892,3 1,0812 127,67

Fuente: Autor

40

CAPTULO IV

ANLISIS DE RESULTADOS Durante el transcurso de dos meses se determinaron la concentracin del oxgeno, monxido de carbono y dixido de carbono en los gases de combustin en los dos ductos de emisin (Lado A y B), el muestreo se realizo dos ves al da, uno en la jornada de la maana entre horas de las 8:00 am a las 10:00 am y el otro en la tarde entre las 2:00 pm a las 3:30 pm. En el primer mes de anlisis comprendido desde el 2 al 27 de enero del 2014 y con una potencia de generacin neta de 170 MW, permiti recopilar una base de datos adecuados para realizar los ajustes pertinentes en el sistema de muestreo y una seleccin de las variables ms influyentes para realizar el anlisis de la calidad de la combustin. Ejemplo de ello, es el cambio del sistema de muestreo para la toma de gases de emisin el cual se llevo a cabo inicialmente con el sistema de muestreo No.1 y posterio