Se denominan "tecnologías intersectoriales" a aquellas técnicas periféricas o de servicio que son utilizadas en la mayoría de las plantas industriales




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2.1 fundamentos de un uso racional de energía (ure) en la industria – técnologías intersectoriales

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Se denominan "tecnologías intersectoriales" a aquellas técnicas periféricas o de servicio que son utilizadas en la mayoría de las plantas industriales, independientemente de la rama o sector industrial. Las tecnologías intersectoriales tienen una gran importancia con respecto a la energía: en prácticamente todas las plantas industriales una parte muy significante de la energía es transformada en otra forma de energía en los calderos, en los sistemas de aire comprimido, en los sistemas de aire acondicionado, etc. (véase la Figura 1 que muestra el ejemplo de una planta química).

Figura 1: Distribución Típica de la Electricidad en una Empresa de la Industria Química (fuente: /3/)

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\fig21_1.gif

 










2.1.1 Generación y Distribución de Vapor y Agua Caliente

Víctor Arroyo Chalco







Los dos equipos de combustión de mayor uso en las instalaciones y plantas industriales, comerciales y de servicios son los calderos de vapor y agua caliente. Estos son usados para transferir energía de un combustible a un fluido que transporta calor a diferentes temperaturas ya sea para ser usados en el proceso o para un calentamiento en diferentes formas.

El transporte del fluido se hace normalmente por tuberías desde la caldera hasta el punto de consumo, que es una clase de equipo térmico, y luego desde éste a la caldera pero con un menor contenido energético.

La experiencia ha demostrado que la gran mayoría de calderas trabajan con eficiencias térmicas menores a la máxima alcanzable, las cuales según el estado de la tecnología en países de Latinoamérica y del tipo de combustible usado, tienen los siguientes valores aproximados para calderas de vapor:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifCalderas pirotubulares estándar de 3 pasos (1000 BHP): 80 - 83 % (base PCS).

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifCalderas acuotubulares sin recuperador de calor (1000 BHP): 78 - 80% (base PCS).

Por otro lado, en los sistemas de distribución de vapor o agua caliente, también se presentan deficiencias que se traducen en pérdidas de energía que a su vez implican mayor consumo de combustible en la caldera para compensar dichas pérdidas. Las pérdidas en este caso son variables, dependiendo de las deficiencias encontradas.

En un sistema de generación-distribución en conjunto, el uso ineficiente de la energía puede significar un aprovechamiento tan bajo como del 30% de la energía aportada al sistema por el combustible en la caldera (sistemas de vapor), en lugar de un 70% como podría ser en el caso de un sistema optimizado.

Por otro lado, la ineficiencia de las calderas y sistemas de distribución, además de implicar mayor consumo de combustible, implican también un incremento proporcional de las emisiones de gases de combustión tales como:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDióxido de Carbono (CO2) : probable causante de "Efecto invernadero".

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDióxido de Azufre (SO2) : causante de "Lluvia ácida".

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifOxidos de nitrógeno (NOx) : causante de "Lluvia Acida".

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifMonoxido de Carbono (CO) : contaminante.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifPartículas en la forma de hollín : contaminante.

En conclusión, es necesario adoptar medidas que permitan incrementar la eficiencia de las calderas y sistemas de distribución de vapor, usando las mejores tecnologías disponibles y aplicando técnicas para incrementar la eficiencia de las calderas y el uso de vapor o agua caliente y reducir las pérdidas en los sistemas de distribución.

2.1.1.1 Procedimientos de Evaluación Energética de Calderas

La evaluación energética de calderas de vapor y agua caliente es una de las acciones más importantes en cualquier programa de ahorro de energía térmica en una instalación.

Tiene como objetivos determinar lo siguiente:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifEfectuar un balance de materia y energía en la caldera, para determinar las pérdidas.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDeterminar la eficiencia en el consumo de combustible

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifVer oportunidades de ahorro de energía e incremento de la eficiencia

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDeterminar las inversiones para mejorar la eficiencia

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifConocer las emisiones de contaminantes (CO, SO2, NOx, partículas)

Procedimiento

1) Conocer las características técnicas de la caldera y su influencia en la eficiencia

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDiseño

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifVariables de diseño

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifControles

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifCombustibles usados

2) Determinar las condiciones operativas actuales que estén alterando la eficiencia

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifModo de funcionamiento

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifRégimen de operación

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifVariables de operación

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifControles

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifMantenimiento

3) Realizar mediciones para obtener una base del diagnóstico

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifAnálisis de gases: O2, CO2, CO. (opcional: SO2, NOx)

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifOpacidad de gases (opcional: concentración partículas)

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifMedición de temperatura de gases

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifMedición de flujos: combustible, vapor, purga

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifTemperaturas superficiales: pérdidas por radiación y convección

4) Efectuar diagnóstico

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifDiagnóstico energético de la caldera

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifPlanteamiento de mejoras justificadas técnica y económicamente

5) Los recursos necesarios para hacer una evaluación energética son:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifPersonal especializado y soporte

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifInstrumentos: analizador de gases, termómetros, medidores de flujo, pirómetros.

Conociendo las características técnicas de la caldera, su modo de operación, consumo energético, y teniendo un diagnóstico de su eficiencia y limitaciones, es posible plantear las medidas para el ahorro de energía mediante una serie de técnicas que se explican más adelante, las cuales tienen que ser evaluadas técnica y económicamente antes de su implementación.

2.1.1.2 Principales Técnicas de Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor

Existe un gran número de técnicas para incrementar la eficienc Farbe ia en sistemas de vapor y agua caliente, desde la generación en calderas hasta el consumo en los usuarios, lo que implica reducir el consumo de combustible para generar la misma cantidad de vapor o calentar la misma masa de agua. De esta manera se obtiene un costo mínimo de producción de calor en la planta y menores emisiones de gases contaminantes a la atmósfera (SO2, NOx, CO).

Existen más de 50 técnicas efectivas de ahorro de energía en sistemas de vapor y agua caliente para todo tipo de instalaciones. En el caso de las pequeñas y mediana empresas, a las cuales va orientado este documento, el número de técnicas aplicables se reduce por el tamaño de los equipos involucrados y los menores consumos de energía, lo cual no justifica en muchos casos las inversiones requeridas para implementar las mejoras, tal como podría ser el caso en las grandes industrias.

En tal sentido, a continuación se describen las técnicas de ahorro que serían más aplicables a los sistemas de vapor de la pequeña y mediana industria, algunos de los cuales son también aplicables los sistemas de agua caliente.

Regular el exceso de aire

El control del exceso de aire es una de las técnicas más efectivas para mejorar la eficiencia de una caldera con inversiones que pueden ser desde bajas hasta moderadas, dependiendo del sistema de control que se adopte.

Consiste en regular los flujos de aire (mediante la apertura del damper del ventilador) y combustible (mediante la válvula de ingreso al quemador ) de tal manera que se mantenga una relación aire-combustible que produzca un mínimo de exceso de aire (reflejado por la concentración de Oxígeno, O2, en chimenea) para la potencia del quemador que se trabaje, y con una mínima producción de sustancias resultantes de una combustión incompleta (básicamente hollín y Monóxido de Carbono, CO).

Existen diferentes sistemas para controlar el exceso de aire en las calderas, los cuales se aplican básicamente dependiendo de la potencia de la caldera y tipo de combustible. Estos sistemas se pueden agrupar de la siguiente manera:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifControl manual.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifControl automático.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifEn bucle abierto.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifCon retroalimentación.

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifCon anticipo.

Dichos tipos de control pueden dar origen a diferentes sistemas como son:

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifEn serie

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifEn paralelo

f:\uso racional de energía_archivos\cap_2_1_archivos\k_blau.gifEn serie - paralelo o con límites cruzados.

Un refinamiento de dichos sistemas puede considerar sensores de Oxígeno y/o Monóxido de Carbono.

En la pequeñas y medianas empresas, con calderas hasta de unos 1000 BHP o más, el sistema de control más común lo constituye un sistema mecánico de eje que es una forma simple de control posicionante en paralelo. En este sistema la presión del vapor es detectada por un presóstato, cuya señal posiciona eléctricamente un motor que a su vez acciona mecánicamente, mediante un mismo eje, la válvula de combustible (a través de una leva) y el damper del ventilador de aire de combustión, tratando de mantener una relación aire-combustible más o menos constante.

En los sistemas mecánicos posicionantes en paralelo sucede con frecuencia que estos no están ajustados para mantener el exceso de aire al mínimo posible, sino que la regulación aire-combustible es un tanto errática y por lo general con altos excesos de aire, resultado de un ajuste simple en base a inspección visual de los humos de chimenea.

En tal caso es necesario ajustar el sistema para lograr un mínimo de exceso de aire, mediante la apertura o cierre del damper de aire (ajuste grueso) y la apertura o cierre de la válvula de combustible posicionando adecuadamente los pines de la leva (ajuste fino). Lo anterior se realiza en base a análisis de gases (O2 y/o CO2) y determinación de opacidad de humos mediante el Indice de Bacharach.

El sistema es usualmente ajustado para una condición particular de operación en el momento en que la caldera es instalada o después de un mantenimiento de la unidad. En virtud de que el sistema debe acomodarse a las fluctuaciones de la calidad del combustible y al estado mecánico y operativo del sistema de combustión en su conjunto, requiere de ajustes periódicos para mantener el exceso de aire deseado previniendo la posibilidad de formación de hollín y CO.

El nivel mínimo de exceso de aire a emplear depende del combustible usado y del tipo de quemador disponible. Para quemadores de tiro forzado y aire sin precalentar, los niveles de exceso de aire a conseguir mediante los ajustes del sistema de control serán los que se indican en el Cuadro 1. En dicho cuadro también se indican los valores máximos de O2 , CO y opacidad de gases que corresponderían para dichos excesos de aire. Estos dos últimos valores corresponden a las sustancias de combustión incompleta y son inevitables en el proceso de combustión, pero no deben sobrepasar dichos valores máximos.

Para realizar un buen ajuste del exceso de aire, logrando una combustión adecuada, es necesario obtener una buena mezcla aire-combustible. Esto se consigue poniendo previamente el sistema de combustión a punto, es decir haciendo un mantenimiento exhaustivo a bombas, filtros, calentadores, válvulas de control, sistema de atomización, boquilla del quemador, cono refractario, difusor, entre otros. Sin ello no se logrará un buen ajuste del exceso de aire. Asimismo, es importante una limpieza de la caldera en el lado del agua y gases.
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