UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO DE INVESTIGACION
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO QUIMICO
TEMA:
AUDITORIA ENERGÉTICA PARA LA DETERMINACIÓN DE ALTERNATIVAS EN LA REDUCCIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN EL HORNO DE
PALANQUILLA MARCA DANIELLI DE ANDEC S.A.
AUTORES:
MIGUEL ÁNGEL ARISTEGA GUERRERO WENDY SABRINA PICO ALMEIDA
DIRECTOR DEL PROYECTO:
ING. QCO. ENRIQUE ALTAMIRANO DÁVILA Mg. Sc.
ii
Universidad de Guayaquil Facultad de Ingeniería Química
Guayaquil, 22 de Junio del 2012
Ingeniero Químico JOSÉ QUIROZ PÉREZ
Decano de la Facultad de Ingeniería Química Ciudad.-
De nuestras consideraciones:
Por medio de la presente nos permitimos informar que el día Viernes 22 de Junio del presente año a las 12H00 y ante el tribunal asignado por H. Consejo Directivo, de los egresados: Miguel Ángel Aristega Guerrero y Wendy Sabrina Pico Almeida sustentan el anteproyecto de tesis de grado titulado: “AUDITORIA ENERGÉTICA PARA LA DETERMINACIÓN DE ALTERNATIVAS EN LA REDUCCIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN EL HORNO DE PALANQUILLA MARCA DANIELLI DE ANDEC S.A.”
Habiendo escuchado la defensa del tema, el tribunal acordó aprobar el trabajo de tesis encontrándose los egresados Miguel Ángel Aristega Guerrero y Wendy Sabrina Pico Almeida aptos para incorporarse como Ingeniero Químico.
iii
Declaración
“La responsabilidad del contenido desarrollado en este Trabajo de Investigación, nos corresponde exclusivamente; y la propiedad intelectual de la misma a la Universidad de Guayaquil según lo
establecido por la Ley vigente”
………. ………
iv
AGRADECIMIENTO
Deseamos agradecer a Dios por brindarnos la sabiduría, fortaleza y perseverancia para poder alcanzar la culminación de nuestros estudios universitarios; a nuestros padres por la forma en que ellos se sacrificaron para lograr nuestra formación profesional, por sus cuidados, enorme paciencia y sobre todo por el apoyo que nos dieron a lo largo de esta carrera; a nuestros catedráticos quienes nos han guiado por este camino llevándonos a las puertas del éxito mediante la exigencia diaria, continua y disciplinada; y a nuestros amigos que nos han acompañado en este duro camino, brindándonos su apoyo y ayuda a cada momento.
Además nuestros más sinceros agradecimientos al Ing. Enrique Altamirano Dávila, nuestro Director de tesis, por guiarnos, aconsejarnos y brindarnos parte de su tiempo para así lograr culminar nuestra carrera con la elaboración de este proyecto que nos ha permitido aplicar los conocimientos que hemos adquirido durante nuestra vida universitaria.
Por último, agradecerle a la Ing. Nelly Chalacán Montes, Jefe del Departamento de Gestión Ambiental y a los directivos de ANDEC S.A., por sus consejos, apoyo y brindarnos las facilidades necesarias para la elaboración de este proyecto.
v
DEDICATORIA
En el cielo a Dios que me dió la sabiduría y fortaleza.
A mi hermano Héctor, no te defraudé, fue duro pero luché, luché y lo logré, gracias hermano.
A mi abuelo Alberto que también nos acompaña desde allá arriba.
En la tierra a mi mamá Laura Guerrero y a mi papá Francisco Aristega, que se han sacrificado y luchado para que todos sus hijos puedan estudiar, les doy gracias por sus consejos que me ayudaron a ser la persona que soy ahora, me siento muy orgulloso de que Dios me haya dado padres como ellos, Los Amo.
A mi hermana Brígida, quien me ayudó en todo momento dejando a un lado quizás sus propios intereses.
A mis demás hermanos y hermanas por la ayuda incondicional que recibí de su parte cuando más lo necesité.
Quiero terminar dedicando esto a una persona especial para mí, a una amiga incondicional que estuvo conmigo en toda mi carrera universitaria. Wendy, por darme todo sin esperar nada a cambio, apoyándome en todo momento, compartiendo conmigo y que forma parte de este proyecto de tesis.
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DEDICATORIA
A Dios Por el amor que me brindas cada día, por no abandonarme, por ayudarme a levantarme en mis fracasos, por aprender de ellos y principalmente por permitirme realizar esta meta muy importante en mi vida.
A mi mamá Janeth Almeida M., por el amor que me das, por la confianza, por ser mi amiga, mi consejera, por dejar de hacer tus cosas para escucharme, por apoyarme en los momentos más difíciles de mi carrera, y enseñarme que el esfuerzo tiene su recompensa. No me equivoco al decir que eres la mejor madre del mundo. Te amo mami, este triunfo también es tuyo.
A mi papá Edwin Pico V., por el amor que me das, por ser mi amigo, por escucharme, por sus consejos, por sus llamadas de atención, por creer en mí, por su paciencia, por ser el ejemplo de superación y entrega. Espero ser tu orgullo, aquí tienes mi esfuerzo. Te amo papi.
A mi hermano Edwin Alex, por confiar en mi y poder confiar en ti, por ser mi amigo y por hacerme reír con tus locuras.
A mi hermana Jacqueline, por dejar de lado muchas cosas y acompañarme en esas noches de desvelo para estudiar, por las risas que cada día me das, por ser la mejor hermana del mundo y en especial por ser mi amiga incondicional.
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A mis abuelos En el cielo a Olga y Ángel, porque siempre he sentido que me apoyan y me cuidan.
En la tierra a Eulalia y Simón, por preocuparse y estar pendiente de mi a pesar de la distancia.
A Miguel Por ser una persona muy especial en mi vida, por dejarme formar parte de este proyecto, por ser mi mejor amigo, por estar cuando más te necesito, por la paciencia, por entender mis locuras y quererme así como soy.
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RESUMEN
ix
SUMMARY
x
2.1.3.1. Calor generado por el combustible. 11 2.1.4. Distribución del Calor Generado. 12 2.1.4.1. Calor extraído por la palanquilla (Acero). 12 2.1.4.2. Calor extraído por los gases de combustión. 14 2.1.4.3. Calor extraído por las paredes y las puertas 14
2.1.5. Temperaturas de Trabajo. 14
2.2. Palanquilla. 14
2.2.1. Características de la Palanquilla. 15
2.2.1.1. Temperatura 15
2.3. Tipos de Palanquilla. 15
2.4. Descripción del proceso de calentamiento de la palanquilla. 16
2.5. Sistema de Enfriamiento 17
xi
2.6.1. Características del Combustible 18 2.6.2. Elementos necesarios para la combustión 19
2.6.2.1. Aire Comprimido 19
2.6.2.1.1. Características del Aire de Comprimido 19
2.6.2.2. Quemadores 19
2.6.2.2.1. Características de los Quemadores 20
2.6.2.2.1.1. Encendido 22
2.6.2.2.2. Forma de la llama 22
2.6.2.2.2.1. Características de la llama 23
2.6.2.3. Aire para la Combustión 23
2.6.2.3.1. Características del aire para la combustión 24
2.6.2.4. Exceso de Aire 25
2.6.3. Combustión 25
2.6.3.1. Análisis de los gases de Combustión 27 2.6.3.2. Analizador de Gases por Celdas Electroquímicas 28 2.6.3.3. Aplicación de Balance de Materia 29 2.7. Aplicación de la Transferencia de Calor 30
2.7.1. Conducción 30
2.7.2. Convección 30
2.7.3. Radiación 31
2.7.4. Ecuaciones Fundamentales de la Transferencia de
Calor. 32
2.8. Situación Actual del horno 33
CAPITULO 3
3. Ingeniería del Proyecto 35
3.1. Metodología de la Investigación 35
3.2. Materiales y Equipos 35
3.3. Resultados Actuales de la Transferencia de Calor y de los
gases de combustión del horno DANIELLI 37
xii
3.5.2. Alternativa # 2: Optimización del exceso de aire 85 3.5.3. Alternativa # 3: Porcentaje de ahorro de Combustible
al reducir el aire en Exceso 87
3.5.4. Alternativa # 4: Correcta operación y mantenimiento
de los quemadores 89
3.5.5. Alternativa # 5: Correcta operación del brazo mecánico 92 3.5.6. Alternativa # 6: Reparación de las paredes aislantes 94
Plano 6: Horno de Calentamiento DANIELLI - Vistas laterales 108
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Horno de palanquilla - DANIELLI 7
Figura 2: Puerta de Abastecimiento 8
Figura 3: Puertas de Deshornamiento 8
Figura 4: Composición de las paredes laterales y puertas 9 Figura 5: Composición de la pared superior del horno 9
Figura 6: Pared superior del horno DANIELLI 9
Figura 7: Sistema de medición en las zonas del horno 11 Figura 8: Maleabilidad de la palanquilla de acero 12 Figura 9: Esquema del calor extraído por los gases de combustión 14
Figura 10: Palanquillas de acero 15
Figura 11: Palanquillas 16
Figura 12: Mesa de Entrada del horno 16
Figura 13: Empujadores Hidráulicos 16
Figura 14: Puerta de Abastecimiento 16
Figura 15: Zona de Precalentamiento 17
Figura 16: Zona de Calentamiento 17
Figura 17: Zona de Igualación 17
Figura 18: Palanquilla en la zona de igualación 17
Figura 19: Puerta de Deshornamiento 17
Figura 20: Salida de la Palanquillas 17
Figura 21: Muestra de Bunker 18
Figura 22: Tanque de Almacenamiento de Bunker 18
Figura 23: Esquema del uso de aire comprimido en la atomización del
combustible – Bunker 19
Figura 24: Orificio de ingreso para el quemador 20
Figura 25: Válvula Sensitrol 20
Figura 26: Quemador en el horno 20
Figura 27: Llamas que se produce en los quemadores 20
Figura 28: Válvula sensitrol y quemador 21
xiv
Figura 30: Quemadores en las zonas 1 y 2 del Horno 21
Figura 31: Quemadores en la zona 3 del Horno 21
Figura 32: Esquema de atomización y formación de la llama en la
cámara del horno 23
Figura 33: Electroválvula (Válvula automática) 24 Figura 34: Esquema de Combustión del Fuel Oil Residual y formación
de partículas 26
Figura 35: Esquema de Conducción de calor en las palanquillas. 30 Figura 36: Esquema de Convección de calor en el horno. 31 Figura 37: Esquema de Radiación de calor en el horno de
calentamiento 31
Figura 38: Conducción de calor a través de una pared plana multicapa 50 Figura 39: Puerta de Deshornamiento – Ingreso del Brazo mecánico
(Lanza) 82
Figura 40: Inquemados Sólidos en los quemadores 83
Figura 41: Recuperador de Calor 83
Figura 42: Termografia del Recuperador de Calor 83 Figura 43: Mantenimiento actual de los quemadores 90 Figura 44: Ingreso del brazo mecánico al horno 92 Figura 45: Empuje de la palanquilla por el brazo mecánico 92 Figura 46: Brazo mecánico dentro del horno en su totalidad 92
Figura 47: Retorno del brazo mecánico 92
Figura 48: Zona de acumulación de gases 94
Figura 49: Termografía de la Zona de acumulación de gases 94
Figura 50: Zona de Igualación 94
xv
INDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Diagrama de fases del acero al carbón 13
Gráfico 2: Esquema de Calor extraído por las palanquillas 13
Grafico 3: Rendimiento de la combustión con relación al exceso de aire para la combustión. 77
Gráfico 4: Porcentaje de la distribución de calor en el horno DANIELLI. 81
Gráfico 5: Ahorro del combustible al reducir el exceso de aire 88
Grafico 6: Ubicación correcta de la boquilla atomizadora 91
Grafico 7: Ubicación incorrecta de la boquilla atomizadora 91
Gráfico 8: Variación del rendimiento en función de la carga. 98
INDICE DE FOTOGRAFIAS FOTOGRAFÍA 1: Cascarilla 124
FOTOGRAFÍA 2: Acumulador de gases 124
FOTOGRAFÍA 3: Ventilador de aire para la combustión 124
FOTOGRAFÍA 4: Análisis de Gases 124
FOTOGRAFÍA 5: Muestreo de Temperaturas en la puerta de Abastecimiento. 124 FOTOGRAFÍA 6: Muestreo de Temperaturas en las paredes externas del horno. 124
FOTOGRAFÍA 7: Muestreo de Temperaturas de las llamas de los quemadores. 125
FOTOGRAFÍA 8: Muestreo de Temperaturas en la puerta de deshornamiento. 125 FOTOGRAFÍA 9: Termocupla. 125
xvi
INDICE DE TABLAS
Tabla #1 8
Dimensión: Propiedades Térmicas de la coraza del horno DANIELLI Indicador: Recubrimiento externo
Tabla #2 10
Dimensión: Propiedades de las paredes refractarias y puertas del horno. Indicador: Propiedades Físicas
Tabla #3 10- 51
Dimensión: Paredes refractarias y puertas del horno. Indicador: Especificaciones
Tabla #4 32
Dimensión: Transferencia de Calor Indicador: Ecuaciones fundamentales
Tabla #5 33
Dimensión: Incidencias de la distribución del calor Indicador: Valores y Porcentaje
Tabla #6 67
Dimensión: Transferencia de Calor
Indicador: Calor a través de las paredes
Tabla #7 67
Dimensión: Área de las paredes del Horno DANIELLI Indicador: Área Total
Tabla #8 70
Dimensión: Transferencia de Calor
Indicador: Coeficiente Global de Transferencia de Calor en el horno DANIELLI
Tabla #9 79
Dimensión: Rendimiento del horno
Indicador: Rendimiento del horno en diferentes fechas con sus respectivos excesos de aire y temperatura de los gases.
xvii
Dimensión: Distribución de calor.
Indicador: Porcentaje del calor distribuido
Tabla #11 86
Dimensión: Gases de Combustión
Indicador: Aumento del volumen de los gases por efecto del exceso de Aire
Tabla #12 88
Dimensión: Gases de Combustión
Indicador: Ahorro de Consumo de combustible
Tabla #13 93
Dimensión: Operación del brazo mecánico
Indicador: Diferencia entre la cadencia de apertura actual y la alternativa de reducción de cadencia de abertura de la puerta de deshornamiento (Brazo mecánico)
Tabla #14 98
Dimensión: Carga del Horno
Indicador: Diferencia en el rendimiento al trabajar a carga de diseño y carga de trabajo.
Tabla #15 99
Dimensión: Resumen de Alternativas
Indicador: Síntomas, causas, pronóstico, control del pronóstico de las alternativas
Tabla #16 118
Dimensión: Tipos de Palanquillas Indicador: Palanquilla SAE-1029
Tabla #17 119
Dimensión: Propiedades Térmicas del Acero
Indicador: Propiedades según el contenido de %carbono.
Tabla #18 120
Dimensión: Calor Especifico de varios gases Indicador: Calor Especifico del Aire
Tabla #19 121
Dimensión: Gases de Combustión
xviii Indicador: Densidad absoluta y relativa
Tabla #22 122
Dimensión: Combustión
Indicador: Pesos Moleculares de Algunos componentes
Tabla #23 123
Dimensión: Llamas en Hornos
Indicador: Tipos de llamas – Problemas y Causas
INDICE DE ANEXOS
ANEXO A: Austenita 126
ANEXO B: Diagrama de humedad molar (intervalo de alta
temperatura) 127
ANEXO C: Diagrama de humedad molar (intervalo de baja
temperatura) 128
ANEXO D: Presión de vapor del agua 129
ANEXO E: Equivalencia del volumen en condiciones normales 130 ANEXO F: Constante f para el cálculo del % de hidrógeno de
acuerdo al grado API 130
ANEXO G: Propiedades térmicas de algunos no metales 131 ANEXO H: Propiedades térmicas de los metales 132 ANEXO I: Determinación de exceso de aire en la combustión 133 ANEXO J: Determinación del caudal de los gases y su Entalpía
por medio del %O2 134
xix
Corrección 135
ANEXO M: Pérdidas de calor para paredes exteriores de hornos 136 ANEXO N: Porcentaje de pérdidas por inquemados sólidos 136 ANEXO O-1: Características del Acero SAE 1020 137 ANEXO O-2: Características del Acero SAE 1026 138 ANEXO O-3: Características del Acero SAE 1065 139 ANEXO O-4: Características del Acero SAE 1010 140 ANEXO O-5: Características del Acero SAE 1045 141 ANEXO O-6: Características del Acero SAE 1006 142 ANEXO O-7: Características del Acero SAE 1040 143 ANEXO O-8: Características del Acero SAE 1029 144
ANEXO P: Características del Bunker 145
ANEXO Q-1: Informes de resultados: Determinación de la Concentración de Gases de Combustión y material
particulado en emisiones de fuentes fijas. 18-Enero-2012 146 ANEXO Q-2: Informes de resultados: Determinación de la
Concentración de Gases de Combustión y material
particulado en emisiones de fuentes fijas. 15-Sept-2011| 150 ANEXO Q-3: Informes de resultados: Determinación de la
Concentración de Gases de Combustión y material
particulado en emisiones de fuentes fijas. 11-Mayo-2011 158 ANEXO Q-4 :Informes de resultados: Determinación de la
Concentración de Gases de Combustión y material
particulado en emisiones de fuentes fijas. 13-Enero-2011 166 ANEXO R: Especificaciones del Analizador de Gases: Testo 350XL 174 ANEXO S: Especificaciones del Tren Isocinético para material
particulado 175
ANEXO T: Especificaciones de la Balanza Analítica Shimadzu
AX 200: Pesado de filtros. 175
xx
INTRODUCCION
ANDEC S.A es una de las más grandes empresas siderúrgicas del Ecuador, la cual se encarga de producir las palanquillas de acero al carbón mediante el proceso de fundición, usando como materia prima chatarra metálica, tales como: desguace (de barcos), vehículos, latas de envases, retornos de acería y desperdicios de laminación, material procedente de los diferentes procesos de fabricación de metales o aleaciones, para luego ser laminadas convirtiéndose en varillas de acero soldable para la construcción.
Para el proceso de laminación las palanquillas se trasladan a un horno de calentamiento que trabaja hasta una temperatura de 1250°C, alcanzando así la temperatura necesaria para ser trasladadas al tren laminador. La producción anual de la planta es de 220000 toneladas de acero, la cual la convierte en la principal y más importante empresa de producción de acero del país.
Dado que el consumo de combustible es un rubro importante en la empresa mencionada, por ello. Se ha realizado una Auditoría energética con el propósito de evaluar las posibilidades de ahorro de energía y cuantificación de las mismas, así como para determinar la conveniencia de la oportunidad económica de ejecutarlas.
1
CAPITULO 1 1. Antecedentes
1.1. El Problema
1.2. Diagnóstico del problema 1.3. Objetivos
2
CAPITULO 1
1. ANTECEDENTES
1.1. El Problema
La industria siderúrgica ANDEC S.A. – Planta Matriz Guayaquil utiliza un horno de calentamiento previo al proceso de laminación donde se da el más alto consumo de energía siendo éste el principal problema, pues es aquí donde se pierde mucha de esta energía y produce un alto consumo de combustible impidiendo aprovechar todo el flujo de calor que se genera en el horno DANIELLI. La racionalización del BUNKER, tomando en cuenta que es un recurso no renovable es, sin duda, uno de los principales aspectos que cobra más importancia, ya que la reducción en el uso de los recursos genera menores costos operativos en los procesos, menor contaminación del entorno, y mayores beneficios para las empresas. Esta coyuntura es la que induce a plantear estudios como el presente.
1.2. Diagnóstico del problema.
3
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Investigar la posibilidad de optimizar el flujo de calor del horno DANIELLI, utilizado en una empresa de la ciudad de Guayaquil, el mismo que se usa para el calentamiento de palanquillas de acero, que luego, mediante un proceso de laminación se transforman en perfiles de distintos tipos.
1.3.2. Objetivos Específicos
Diagnosticar la situación energética actual del horno de palanquilla, marca DANIELLI.
Plantear distintas alternativas con el fin de minimizar el consumo de combustible utilizado en el proceso.
Racionalizar los recursos no renovables
1.4. Hipótesis
4
CAPITULO 2 2. Horno de Calentamiento.
2.1. El horno.
2.1.1. Características del horno 2.1.2. Intercambio de Energía calórica 2.1.3. Calor generado.
2.1.3.1. Calor generado por el combustible. 2.1.4. Distribución del Calor Generado.
2.1.4.1. Calor extraído por la palanquilla (Acero). 2.1.4.2. Calor extraído por los gases de combustión. 2.1.4.3. Calor perdido por las paredes y las puertas 2.1.5. Temperaturas de Trabajo.
2.2. Palanquilla.
2.2.1. Características de la Palanquilla. 2.2.1.1. Temperatura
2.3. Tipos de Palanquilla.
2.4. Descripción del proceso de calentamiento de la palanquilla. 2.5. Sistema de Enfriamiento
2.6. Combustible
2.6.1. Características del Combustible
2.6.2. Elementos necesarios para la combustión 2.6.2.1. Aire Comprimido
2.6.2.1.1. Características del Aire Comprimido 2.6.2.2. Quemadores
2.6.2.2.1. Características de los Quemadores 2.6.2.2.1.1. Encendido
2.6.2.2.2. Forma de la llama
2.6.2.2.2.1. Características de la llama 2.6.2.3. Aire para la Combustión
5
2.6.3. Combustión
2.6.3.1. Análisis de los gases de Combustión
2.6.3.2. Analizador de Gases por Celdas Electroquímicas 2.6.3.3. Aplicación de Balance de Materia
2.7. Aplicación de la Transferencia de Calor 2.7.1. Conducción
2.7.2. Convección 2.7.3. Radiación
6
CAPITULO 2
FUNDAMENTO TEORICO
2. El horno de Calentamiento.
2.1. El horno.
El término horno de calentamiento, también llamado horno de palanquilla se aplica en este documento a aquel en el que se imparte el calor a la carga para elevar la temperatura de ésta, sin pretender que se produzca un cambio de estado completo, tal como fusión o vaporización, pero si un estado intermedio permitiendo que el producto no sea rígido. En el caso del acero, la temperatura desempeña un papel de gran Importancia, pues las temperaturas todavía más elevadas eliminan la acritud de los metales manteniendo el estado semi-sólido de las piezas de acero durante todo el período de calentamiento en el que simplemente se pretende ablandar térmicamente el material para que sea fácilmente maleable en la operación posterior. El horno provee al proceso palanquillas a una temperatura de deshornamiento de 1100 °C (Ver Plano 1, Pág. 7).
7
Figura 1: Horno de palanquilla - DANIELLI
Plano 1: Zonas del Horno de Palanquilla
2.1.1. Características del Horno
Estructura: Perfiles de Acero y acorazada mediante chapas del mismo material
8
Combustible que utiliza: Bunker (300 gal/h) Capacidad del Horno: 204 palanquillas Capacidad de Producción: 40 toneladas/hora Revestimiento interno: Paredes Refractarias Presión: 1.3 mm Hg (0,025 lb/in2)
Puertas: 14 pequeñas – Laterales
3 grandes: 2 deshornamiento, 1 abastecimiento
Figura 2: Puerta de Abastecimiento Figura 3: Puertas de Deshornamiento
Tabla #1
Dimensión: Propiedades Térmicas de la coraza del horno DANIELLI Indicador: Recubrimiento externo
Acero al Carbón - 0,5% a 50 °C
Conductividad Térmica 46,5 Kcal/h.m. °C
Densidad 7833 Kg/m3
Capacidad Calorífica 0,111 Kcal/kg.°C Emisividad 0,0530 m2/h
Fuente: Texto- Transferencia de calor, Alan Chapman Elaboración: Miguel Aristega
Wendy Pico
Dimensiones del Horno. Longitud: 27,51 m.
Ancho: 5,52 m.
9
Características de la pared refractaria del horno
La pared refractaria del horno tiene un espesor de 50 cm, distribuidos de la siguiente manera:
Figura 4: Composición de las paredes laterales y puertas
Figura 5: Composición de la pared superior del horno
Figura 6: Pared superior del horno DANIELLI
10
Tabla #2
Dimensión: Propiedades de las paredes refractarias y puertas del horno. Indicador: Propiedades Físicas
No. Material
Propiedades Físicas
Cp Densidad
( ) Emisividad Kcal/kg °C kg/m3 m2/h
1 Plástico Refractario 0,23 2645 0,0022875
2 Ladrillo Aislante 0,23 2050 0,002
3 Planchas de fibra-cerámica
aislante - 235 -
4 Coraza de Acero al Carbón 0,111 7833 0,0530
Fuente: Texto- Transferencia de calor, Alan Chapman Elaboración: Miguel Aristega y Wendy Pico (2011)
Tabla #3
Dimensión: Paredes refractarias y puertas del horno. Indicador: Especificaciones
Material Refractario Temperatura Conductividad Espesor
°C (Kcal/h.m °C) m
Fibra de cerámica aislante
200 0,86
0,1
600 1,27
1400 1,52
Coraza de Acero al Carbón 50 46,5 0,01
Fuente: Texto- Transferencia de calor, Alan Chapman Elaboración: Miguel Aristega
11
Sistema de medición en cada zona del horno Válvula relif: regula la entrada de combustible. Aire comprimido a 7 bares (101,53 lb/in2
), por las pérdidas en los codos entra a 5 bares (72,52 lb/in2).
Tiene un pseudomotor para medir la relación de aire comprimido y bunker (esto es para la atomización del bunker)
Figura 7: Sistema de medición en las zonas del horno
2.1.2. Intercambio de energía calórica.
Debido al uso de altas temperaturas en el horno, este genera una gran cantidad de energía calórica que se distribuye y se absorbe de diferentes maneras por las diversas partes del horno.
2.1.3. Calor Generado.
2.1.3.1. Calor generado por el combustible.
El combustible utilizado en el horno de calentamiento posee un poder calorífico siendo éste la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible.
Válvula relif
12
2.1.4. Distribución del Calor Generado.
2.1.4.1. Calor extraído por la palanquilla (Acero).
La energía calórica que consume la carga de palanquillas en el horno de calentamiento llega a la temperatura de deshornamiento, la cual queda cuantificada por la Ecuación (2) por la suma de dos componentes, calor Sensible (Qs) y calor Latente (QL).
El calor sensible, está representado por la Ecuación (3), es el que se le subministra a la carga de palanquillas de acero, aumentando la temperatura hasta obtener un estado maleable (austenita – Ver ANEXO A, Pág. 126) en su estructura para su operación posterior (laminado de palanquilla) este tiene lugar en las zonas 1 y 2 del horno. El calor latente, representado por la Ecuación (4), es el consumido por las palanquillas de acero para mantener la temperatura de deshornamiento, con la característica de que esta se produce a temperatura constante.
Qacero= Qs+QL (Ecuación 2) Qs= m.Cp.∆t (Ecuación 3) QL= m.C (Ecuación 4)
En el gráfico 1 se puede observar que con los valores de %carbono de la palanquilla 0,27 y la temperatura de deshornamiento 1250 °C el cambio de estado que sufre el acero es de sólido a maleable (austenita), teniendo en cuenta que este es no llega a ser liquido pero se acerca mucho ya que la temperatura de fusión del acero es de 1535°C.
13
Gráfico 1: Diagrama de fases del acero al carbón Fuente: Enciclopedia – Wikipedia ( 10-04-2012)
14
2.1.4.2. Calor extraído por los gases de combustión.
Los gases están compuestos generalmente por O2, N2, CO2, y CO si no hay combustión completa. Estos gases de combustión durante el proceso de calentamiento de las palanquillas absorben gran cantidad del calor, producto de la combustión necesaria para el proceso.
Figura 9: Esquema del calor extraído por los gases de combustión
2.1.4.3. Calor perdido por las paredes y puertas.
A través de las puertas se produce el contacto directo entre la sala del horno y el medio exterior, de manera que cada vez que las puertas se abren existe una cantidad de calor que se pierde al ambiente, las paredes a pesar de tener un revestimiento refractario absorben cierta cantidad del calor generado que pasa a través de cada pared hasta la coraza del horno, pues de esta manera el aire gana toda esa cantidad de calor que se pierde generando el aumento de la temperatura ambiente desde los 31°C hasta los 50°C alrededor del horno (esta temperatura varía dependiendo de la carga de trabajo).
2.1.5. Temperaturas de Trabajo.
Temperaturas en el horno: Zona 1: Precalentamiento (1000°C)
Zona 2: Calentamiento (1000 °C – 1200 °C) Zona 3: Igualación (1250°C)
2.2. La Palanquilla.
15
componen de una aleación de metales en diferentes porcentajes, que varían dependiendo al uso que se le dará posteriormente.
Figura 10: Palanquillas de acero
2.2.1. Características de la Palanquilla. Dimensiones: 4 m x 0.13 m
Peso (1 palanquilla): ½ tonelada (entre 497 y 505 kg)
Densidad*: 7847,4 kg/m3
Calor Especifico*: 0,1101 Kcal/kg.°C Conductividad Térmica*: 27,9 Kcal/h.m.°C Emisividad*: 0,05795 m2/h
%Carbono*: 0,275
*Las propiedades térmicas de las palanquillas de acero han sido tomadas de la TABLA# 17 Pág. 119 para la palanquilla tipo SAE 1029.
2.2.1.1. Temperatura.
Las palanquillas de acero al momento de deshornamiento alcanzan una temperatura de 1100°C a 1130°C aptas para laminación.
2.3. Tipos de Palanquilla.
16
2.4. Descripción del proceso de calentamiento de la palanquilla.
Para el proceso de laminación las palanquillas se trasladan desde el proceso anterior a la operación de calentamiento (colada continua, tijera de corte y enfriamiento), a la mesa de entrada del horno DANIELLI. Un sistema de empujadores hidráulicos introduce las palanquillas a la sala del horno, depositándolas sobre la solera del mismo. Desde allí comienza su calentamiento por medio de quemadores radiantes instalados en la bóveda del horno. Cuando las palanquillas llegan al otro extremo han alcanzado ya la temperatura necesaria para ser laminadas, siendo empujadas hacia el transferidor de palanquillas por una brazo mecánico (lanza) a través de una puerta lateral de tipo guillotina, llamada puerta de deshornamiento y son despedidas hacia el tren laminador (etapa posterior al calentamiento).
Los humos que se generan durante la combustión son recogidos sobre la puerta de carga por un colector y conducidos a través de un ducto aéreo hasta la chimenea por donde son expulsados al exterior.
Figura 11: Palanquillas Figura 12: Mesa de Entrada del horno
17
Figura 15: Zona de Precalentamiento Figura 16: Zona de Calentamiento
Figura 17: Zona de Igualación Figura 18: Palanquilla en la zona de igualación.
Figura 19: Puerta de Deshornamiento Figura 20: Salida de la Palanquillas
2.5. Sistema de Enfriamiento del Horno.
18
2.6. Combustible
Como anteriormente se mencionó, el combustible que utiliza el horno de calentamiento es BUNKER.
La composición de un combustible es fundamental para poder determinar los parámetros estequiométricos característicos de la reacción de combustión. Además, establece si el mismo es apto o no para el uso que se requiere, en función de la presencia de componentes que puedan ser nocivos o contaminantes.
2.6.1. Características del Combustible
Temperatura del Bunker precalentado: 110-120°C
Poder Calorífico: 10068 cal/gr
Gravedad Específica: 0,9574
Grados Baumé (°Be): 16
°API: 16,3
Punto de Inflamación: 187 °C
Composición:
*Ver Tabla #20- Pág. 121
19
2.6.2. Elementos necesarios para la combustión.
2.6.2.1. Aire Comprimido
El aire comprimido se refiere al uso de aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor, en los procesos su uso se basa en la atomización del combustible para dar una mayor superficie de contacto formando gotas más pequeñas para apoyar la formación de la llama.
Figura 23: Esquema del uso de aire comprimido en la atomización del combustible – Bunker
2.6.2.1.1. Características del aire comprimido Presión en el horno: 7 bar (máximo) – (101,5264 lb/in2)
1,2 bar (mínimo) – (17,49 lb/in2 ) Temperatura Óptima: 150°C
2.6.2.2. Quemadores
20
del mismo. Sin embargo, si se superan las temperaturas máximas admisibles, se corre el riesgo de formación de gases que interrumpan el bombeo de combustible y en consecuencia se produzcan fallas en la ignición. También es importante que este no contenga ácidos, arenilla, u otras materias extrañas que puedan taponar o dañar los orificios de los quemadores y sus válvulas de control (válvulas sensitrol).
Figura 24: Orificio de ingreso para el quemador
Figura 25: Válvula Sensitrol
Figura 26: Quemador en el horno
Figura 27: Llamas que se produce en los quemadores
2.6.2.2.1. Características de los quemadores
Marca: North American
Tipo: De baja velocidad luminosa
Material. Fabricado en chapa de acero con revestimiento de hormigón refractario.
Potencia: 830000kcal/h
21
Válvula: Sensitrol reduce de 6mm a 1,5 mm (Regula la llama y el paso de combustible)
Cantidad: Posee 20 quemadores distribuidos de la siguiente manera:
Zona 1: 8 quemadores Zona 2: 8 quemadores Zona 3: 4 quemadores
Figura 28: Válvula sensitrol y quemador Figura 29: Boquilla del quemador
Figura 30: Quemadores en las zonas 1 y 2 del Horno
Figura 31: Quemadores en la zona 3 del Horno
Zona 1
Zona 2
22 orificio junto al quemador para así generar la llama del horno.
Hay que tener en cuenta que el encendido del horno se lo realiza muy rara vez debido a que por la cantidad de calor que se debe generar y las altas temperaturas que se deben mantener el horno no se apaga, trabajando así todos los días del año.
2.6.2.2.2. Forma de la llama
Las variables de operación del quemador tales como la presión de mezcla del combustible o la cantidad de aire, son los que tienen mucho más efecto en la forma y longitud de la llama que cualquier otra variable de operación. Buenas mezclas producidas por un alto grado de turbulencia y altas velocidades dan lugar a una llama corta e intensa o mezclas pobres y de bajas velocidades producen llamas largas, suaves y delgadas. Un aumento en el exceso de aire tiende a acortar la llama, mientras que la disminución del exceso de aire tiende a producir una llama larga. Se puede conseguir una llama corta e intensa incluso con cantidades reducidas de exceso de aire pero esto supone la adopción de instalaciones especiales que sean capaces de conseguir una turbulencia intensa y una recirculación parcial de los gases de combustión.
23
Figura 32: Esquema de atomización y formación de la llama en la cámara del horno
2.6.2.2.2.1. Características de la llama Longitud de la llama: 2 - 2,50 m
Color de la llama: Amarillo Claro Temperatura de la llama: Zona 1 – 710°C
Zona 2 – 836°C Zona 3 – 900°C
La temperatura de la llama depende de cada zona del horno: En la tercera zona, la llama que se genera en los quemadores tiene una temperatura de 900 °C y la temperatura de la zona es de 1250 °C, esto se debe a que la zona de igualación tiene cuatro quemadores y la temperatura de la zona aumenta por la re-radiación de los quemadores.
2.6.2.3. Aire para la Combustión
24
2.6.2.3.1. Características del Aire para la Combustión
Cantidad de oxigeno que ingresa al horno:
Zona 1 y 2 : 8400 m3/h máximo 1050 m3/h mínimo Zona 3 : 4200 m3/h máximo
700 m3/h mínimo Temperatura de precalentamiento del oxígeno: 200-300 °C
Presión del oxígeno en el todo el horno: 17.40 lbs/in2
Es necesario aplicar valores de mínimo y máximo de aire para la combustión en cada zona del horno, ya que después del recuperador de calor existe una electroválvula neumática proporcional o válvula de tiro automática que permanece abierta al 8%. Cuando no hay suficiente calor en el interior del horno esta se cierra al igual que la válvula del ventilador para evitar que los gases de combustión salgan del horno y que el flujo de aire que ingresa para la combustión sea el mínimo, de manera que así se aprovecha el calor de los mismos para que alcance la temperatura optima del horno (1250 °C - zona 3). Una vez que ha alcanzado la temperatura deseada, la electroválvula se abre permitiendo la entrada de aire para la combustión hasta el máximo en caso de que lo amerite.
Cabe notar que la válvula de tiro automática trabaja en conjunto con la electroválvula del ventilador, así se controla el ingreso de aire para la combustión y la salida de los gases de combustión.
25
2.6.2.4. Exceso de Aire
Para asegurar una combustión prácticamente completa, y debido a las imperfecciones inherentes a los sistemas de mezcla aire-combustible, es preciso utilizar siempre una cantidad de aire en exceso, superior a la teórica. La relación entre el aire realmente utilizado y el aire mínimo necesario, se le denomina índice de exceso de aire.
2.6.3. Combustión
La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia (o una mezcla de ellas) denominada combustible, con el oxígeno y la chispa. Como consecuencia de la reacción de combustión se tiene la formación de una llama. Dicha llama es una masa gaseosa incandescente que emite luz y calor. La combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno. Esta mezcla de sustancias que contiene oxígeno se denomina comburente. El aire es el comburente más usual. Si se supone (caso más común) que la combustión se realiza con aire, la reacción química que se debe plantear es la del proceso por el cual el combustible reacciona con el aire para formar los productos correspondientes, es decir:
Combustible + Aire + Chispa = Llama
El mecanismo de combustión varía según el tipo de combustible que se desee quemar. Así podremos distinguir entre combustión homogénea en la que el combustible a quemar es gaseoso, y combustión heterogénea en el caso de combustibles sólidos y líquidos.
26
salida del quemador y las diferencias de densidad entre la llama y los alrededores.
Combustión Heterogénea, la combustión heterogénea necesita un mayor tiempo de ignición, requiriendo los combustibles líquidos una atomización previa a la combustión. Para comprender mejor el mecanismo de combustión heterogénea presentamos el caso de la combustión del fuel-oil (Bunker) combustible utilizado en el proceso de calentamiento de palanquillas.
La combustión del fuel-oil comienza por los componentes más ligeros que se vaporizan tan pronto como las gotas de combustible salen del atomizador y entran en la zona de combustión. El residuo pesado que queda sufre una pirólisis debido a la alta temperatura de la combustión causando la formación de humo. Una atomización insuficiente del fueloil resulta en un goteo de combustible que no se quema. El carbón residual o coque que queda tras la pirólisis es arrastrado al exterior en forma de partículas sólidas. Idealmente, la materia carbonosa debería quemarse completamente con objeto de reducir al mínimo posible las partículas sólidas arrastradas por los gases de combustión.
27
2.6.3.1. Análisis de los gases de Combustión
Los análisis de gases de combustión que realiza ANDEC S.A, lo hace a
través de una empresa certificada para realizar esta clase de monitoreos,
PSI (Productos y Servicios Industriales Cía. Ltda.), es la encargada de
presentar un informe en el que conste la clase de análisis que se realizan a
los gases de combustión y sus respectivos resultados.
28
2.6.3.2. Analizador de los Gases por Celdas Electroquímicas
Para conocer la composición de los gases de combustión y sus demás
características, la empresa contratada por ANDEC S.A. utiliza un analizador
de gases por celdas electroquímicas y el tren isocinético, seguido del
procedimiento adecuado.
29
2.6.3.3. Aplicación del Balance de Materia
En principio, la base en la que se sustenta el método para realizar un balance son las leyes termodinámicas de la conservación de la materia y la energía. Para tomar en cuenta el flujo de material que entra y sale de un sistema con límites definidos, se plantea un balance de materia, es decir se contabiliza los flujos o cambios de masa en el inventario de materiales del sistema, por lo cual puede expresarse de la siguiente forma:
o
En un sistema de proceso continuo como el caso del horno DANIELLI, la acumulación en cantidades significativas solo ocurre en estados de transición, ya sea cuando se modifican las variables de control del sistema, como cambios en el caudal del combustible, alimentación, niveles de oxigeno, etc. O bien, cuando las condiciones de operación del sistema se encuentran fluctuando “sin causa aparente”, se dice que se encuentra en condiciones inestables, por lo tanto el balance de materia en un proceso continuo se debe efectuar cuando el proceso presente condiciones estables pues de esta manera el balance de materia se puede expresar a través de la siguiente relación:
30
2.7. Aplicación de la Transferencia de calor.
Suele ser costumbre englobar los distintos procesos de transmisión calorífica en tres tipos o modalidades básicas, si bien es como se pondrá en evidencia a medida que profundicemos en el tema. Al enfrentarnos con los problemas prácticos, son muy raros aquellos en los que una, dos o las tres modalidades no están presentes a la vez. Estas tres formas de transmisión del calor se conocen con los nombres de conducción, convección y radiación.
2.7.1. Conducción
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor que se da en las palanquillas de acero produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. La característica específica de la conducción es que tiene lugar dentro de los límites del cuerpo o a través de la divisoria de los 2 cuerpos que están en contacto sin que se registre un desplazamiento apreciable de la materia que los constituye y solo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor.
Figura 35: Esquema de Conducción de calor en las palanquillas.
2.7.2. Convección
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación de la misma. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro. En el caso del horno DANIELLI este mecanismo de calor se produce en los gases donde los átomos y moléculas del mismo son libres de moverse en el medio. El movimiento de los gases
Conducción de calor por contacto de los cuerpos
Palanquilla a temperatura ambiente
31
puede tener su origen en las diferenciad de densidades creadas por las temperaturas que existen en la palanquillas y en el horno, a este se conoce como << convección libre>> o <<convección natural>>.
Figura 36: Esquema de Convección de calor en el horno.
2.7.3. Radiación
La radiación térmica es energía emitida por un cuerpo cuando se ha excitado térmicamente a una temperatura dada, en el proceso de calentamiento esta se produce directamente desde la palanquilla hacia afuera en todas las direcciones y cuando incide sobre otra palanquilla, paredes o puertas una parte de la misma puede reflejarse y otra absorberse. Si la radiación incidente es de tipo térmico, es decir, si es la longitud de onda adecuada, la absorbida estará presente en el cuerpo que la ha tomado en forma de calor.
Figura 37: Esquema de Radiación de calor en el horno de calentamiento
Palanquilla
Gases a menor temperatura
Gases a mayor temperatura
32
2.7.4. Ecuaciones fundamentales de la Transferencia de Calor
Tabla #4
Dimensión: Transferencia de Calor Indicador: Ecuaciones fundamentales
Calor Total Qacero= Qs+QL (Ecuación 2)
Calor Sensible Qs= m.Cp.∆t (Ecuación 3)
Calor Latente QL= m.C (Ecuación 4)
Conducción de Calor a través de una pared
plana de múltiples
33
2.8. Situación actual del horno
El horno de calentamiento marca DANIELLI se encuentra trabajando con normalidad, para el análisis actual del horno se realizó, balance de materia y balance de energía para así poder determinar en qué forma y en qué proporción el calor aportado por el combustible, se distribuye entre los diferentes entes absorbentes de energía.
Luego del estudio en conjunto con los datos recogidos en planta se procedió a analizar el rendimiento energético del proceso, a continuación se detallan los datos obtenidos de la situación actual del proceso.
Tabla #5
Dimensión: Incidencias de la distribución del calor Indicador: Valores y Porcentaje
Denominación del sistema Calor
Magnitud % Calor por cascarillas 43,30564 Kcal/kg 0,2217 % Calor por paredes 6007,83 Kcal/kg 30,763 % Calor por puertas y aberturas 29,87788 Kcal/kg 0,153 %
Calor por gases de
combustión 1695,36 Kcal/kg 8,6809 % Calor por inquemados
34
CAPITULO 3
3. Ingeniería del Proyecto
3.1. Metodología de la Investigación 3.2. Materiales y Equipos
3.3. Resultados Actuales de la Transferencia de Calor y de los gases de combustión del horno DANIELLI
3.4. Análisis del Balance energético del horno 3.5. Alternativas para mejora del proceso
3.5.1. Alternativa # 1: Ajuste de la combustión
3.5.2. Alternativa # 2: Optimización del exceso de aire
3.5.3. Alternativa # 3: Porcentaje de ahorro de Combustible al reducir el aire en Exceso
3.5.4. Alternativa # 4: Correcta operación y mantenimiento de los quemadores
3.5.5. Alternativa # 5: Correcta operación del brazo mecánico 3.5.6. Alternativa # 6: Reparación de las paredes aislantes 3.5.7. Alternativa # 7: Trabajar a carga de diseño
35
CAPITULO 3
3. INGENIERÍA DEL PROYECTO
3.1. Metodología de la Investigación.
Se realizará una evaluación para diagnosticar la situación actual del funcionamiento del horno. Con el presente trabajo se desea determinar alternativas de ahorro de energía térmica en el horno de palanquilla marca DANIELLI por lo que la evaluación se desarrollará de la siguiente manera: se identifican las fuentes de energía y las áreas donde hay posibilidades de ahorrar energía, se realiza balances de energía y mediante el análisis de los resultados obtenidos se proponen alternativas, las cuales son evaluadas técnicamente; esto comprende por una parte visualizar las mejoras en cuanto al rendimiento energético, por otra parte mediante las propuestas de implementación para mejorar el proceso. Los cálculos se realizarán a partir de datos recopilados del funcionamiento real del proceso (temperaturas, presiones, etc.).
3.2. Materiales y Equipos
Los materiales que aquí se mencionan son usados por la empresa contratada para realizar los análisis
36
Analizador de Gases
Principio: Celdas Electroquímicas Marca: Testo 350XL
Tren Isocinético
Principio: Succión Controlada (isocinética) de gases
Marca: APEX 572
Balanza Analítica
Marca: Shimadzu AX200
Pirómetro
Principio: Lectura por Infrarrojo Marca: Raytek
Cámara Termográfica
Principio: Lectura de temperatura por puntos o áreas.
37
3.3. Resultados Actuales del Horno DANIELLI
BALANCE DE MATERIA
Composición del Bunker utilizado en la empresa ANDEC S.A.*
Cantidad de Bunker quemado 1087,1 Kg/h
Temperatura media del Bunker 115 °C 239 °F
Datos sobre la cascarilla extraída del horno**
Contenido de cascarilla por palanquilla 1 %
Contenido de Carbono 0,275 %
Temperatura media 1100 °C
Datos sobre los humos**
Análisis por Celdas Electroquímicas
*Fuente: Textos: Manual del Ingeniero Químico Robert H. Perry y Combustión Parte 1, Ing. E. Brizuela - Dra. Ing. S. D. Romano.
38 Datos sobre el Aire para la Combustión***
Temperatura de bulbo seco 31 °C 87,8 °F
Temperatura de bulbo húmedo 27 °C 80,6 °F
Temperatura de precalentamiento 250 °C 482 °F
Presión Barométrica 14,7 lb/in2 760,1 mm g
Datos del Aire Comprimido**
Temperatura del aire comprimido 150 °C
302 °F Presión media del aire comprimido 59,508 lb/in2
3077 mm Hg
PESO DE LA CASCARILLA FORMADA
Contenido de cascarilla por palanquilla 0,01 kg de cascarilla Contenido de acero por palanquilla 500 kg de acero
Peso de la cascarilla formada = 0,01 * 500 = 5 Kg cascarilla
Palanquilla
500 kg acero 5 Kg cascarilla
40000 Kg acero X Kg cascarilla
X = 400 kg de cascarilla
PESO DE LOS PRODUCTOS GASEOSOS SECOS
39
Moles de Humos secos por 100 Kg
de bunker quemado/h =
7,008333 atom-kg
= 98,703359 kg-mol humos
0,071004 atom-kg 100 kg Bunker
Productos gaseosos secos totales.
40
PESO DEL AIRE PARA LA COMBUSTION SUBMINISTRADO
La composición del aire seco se puede tomar de ordinario como constante y es el 21% O2 y 79% N2 en volumen es tanto el Argón incluido en el nitrógeno. El contenido de humedad está sujeto a variaciones extremas que dependen de las condiciones atmosféricas por lo que es necesaria su determinación por separado. Debido a la composición del aire seco, es posible calcular con facilidad el peso del aire empleado en un proceso de combustión a partir del conocimiento del contenido en nitrógeno de los productos gaseosos y del combustible empleado. Por lo tanto, se puede considerar como regla general que el peso del aire seco empleado realmente en un proceso de combustión se calcula a partir de un balance de nitrógeno.
Balance de Nitrógeno
Base de Cálculo: 100 kg de Bunker quemado/h
Nitrógeno en los productos gaseosos = 76,5772 mol-Kg
Nitrógeno del Bunker 1 = 0,03571 mol-Kg
PESO DE HUMEDAD EN EL AIRE
41
VOLUMEN TOTAL DEL AIRE HUMEDO PARA LA COMBUSTIÓN INTRODUCIDO
Base de cálculo: 100 Kg de Bunker quemado/h
Total de moles de aire húmedo = 96,888 + 5,469483 = 102,3574711
Kg-mol Aire para la combustión.
PESO DEL AIRE COMPRIMIDO SUBMINISTRADO
Base de Cálculo = 100 Kg bunker/h
Densidad del Combustible = 957,4 Kg/m3
Volumen del combustible = 100 Kg bunker/h = 0,10445 m3/h 104450 cc/h
957,4 Kg/m3
Bunker Aire Comprimido
1 cc 11 cc Volumen del aire comprimido
= 1,14895 m3/h
Cantidad de Aire Comprimido
subministrado = 1,293 * 1,148945 = 1,48559 Kg Aire comprimido
42
VOLUMEN TOTAL DEL AIRE INTRODUCIDO AL HORNO
Base de cálculo: 100 Kg de Bunker quemado/h
Total de moles de aire comprimido introducido = 0,05123 Kg-mol Aire
Volumen a 302°F, 121,159 in Hg
0,05123 Kg-mol * 22,4146 m3 * 29,92 in Hg * 762 °R
Kg-mol 121,16 in Hg 492 °R
Volumen a 302°F, 121,159 in Hg = 0,43916 m3
Volumen total del aire que ingresa al horno
2553,72 m3 + 0,439165 m3 = 2554,16 m3
Cantidad total de aire que ingresa al horno
2908,2 Kg Aire para combustión + 1,485586 Kg Aire comprimido = 2909,69 Kg de Aire h
h h
HUMEDAD DE LOS PRODUCTOS GASEOSOS
Balance de Hidrogeno
Base de cálculo: 100 Kg de Bunker quemado/h
De la humedad introducida con el aire para combustión = 5,46948 kg-mol
43
* Valor obtenido por interpolación a 2,85 in Hg de los valores de Presión de vapor en el Anexo D.
VOLUMEN TOTAL DE LOS PRODUCTOS GASEOSOS
Moles de gas húmedo
Moles de Humos secos por 100 Kg de bunker quemado/h 98,70335944 kg-mol humos
Hidrogeno en el agua de los humos 10,40281652 kg-mol
109,106176 Kg mol de Gas Húmedo
Temperatura media de los humos = 228,8 °C 443,84 °F
Volumen a 443,8°F, 29,92 in Hg
44
En la humedad libre del Bunker
Hidrogeno neto del Bunker
Azufre Relación Relación
45 Volumen del aire necesario
45,5208 Kg mol * 22,4146 m3 * 29,92 in Hg * 460 °R
Kg-mol 29,92 in Hg 492 °R
Volumen del aire necesario 45,5208 Kg mol
Aire Subministrado
INDICE DE EXCESO DE AIRE SUBMINISTRADO
Volumen del aire subministrado = 2554,16 m3 Volumen del aire necesario = 953,968 m3
Índice de Exceso de aire
α = Volumen real del aire = 2554,16 = 2,6774 Volumen teórico del aire 953,968
Si α = 1 Combustión estequiométrica
α < 1 Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica α > 1 Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre
46 PESO DE LO INQUEMADOS SOLIDOS
Base de cálculo: 100 Kg de Bunker quemado/h
Opacidad = 1 kg/m3
Consumo de Bunker = 1,1355 m3/h
Peso de los inquemados Sólidos = 1 * 1,1355 Peso de los inquemados Sólidos = 1,1355 Kg/h
PESO DE LO INQUEMADOS GASEOSOS
Base de cálculo: 100 Kg de Bunker quemado/h
O2 = 11,47 kg/m3
CO = 0,0004 kg/m3
CH = 0,0004 kg/m3
11,4708 kg/m3
Consumo de combustible = 1,1355 m3/h
47
Balance de Energía
Calor Generado por el combustible
BUNKER
Poder Calorífico 10068 cal/gr 10068 Kcal/kg
Consumo 1135,5 lt/h 1087,13 Kg/h
Densidad 0,9574 gr/cm3 957,4 Kg/m3
Qc= Poder Calorífico * masa consumida/horas
Qc= 10068 * 1087,1
Qc= 10945202 Kcal/h
Qc= 10068 Kcal/kg
Calor sensible del aire precalentado
Datos de Análisis de Gases de Combustión
O2 = 11,47 %
48
∆Tap: Temperatura del aire de combustión en quemadores
menos la temperatura ambiente.
Calor de Combustión
Es la energía química producida en la combustión
BUNKER
Poder Calorífico 10068 cal/gr 10068 Kcal/kg
Consumo 1136 lt/h 1087,1 Kg/h
130; North American Combustión
Qcomb= PCI inferior del Combustible Qcomb= 10068 Kcal/kg %H = Porcentaje de hidrógeno
°API = Densidad API del BUNKER
Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cámara de combustión, por lo cual para efectos de cálculo se toma el poder calorífico inferior.
49
PCI inf = PCI sup - 50,7 * %H PCI inf = 10068 - 50,7 * 43,424 PCI inf = 7866,4 Kcal/kg
Calor Sensible del Aire del Comprimido
Qac= Mac. Cpac. ∆Tac
∆Tac: Temperatura del aire comprimido en los quemadores
menos la temperatura ambiente.
Calor por la Carga
macero Cpacero* ∆Tacero Q
Hm: Entalpía media del acero Cpacero: Calor especifico del acero
∆Tacero: Temperatura de la cascarilla a la que sale menos la del ambiente QS: Calor sensible que gana la palanquilla en la zona 1 y en la zona 2 QL: Calor Latente que gana la palanquilla en la zona 3
Qacero: Suma del Calor sensible y calor latente de la carga de palanquillas
50 Calor por la Cascarilla
Qcas= Mcas. Cpacero. ∆Tcas Cpacero: Calor especifico del acero
∆Tcas: Temperatura de la cascarilla a la que sale menos la del ambiente
Calor por las Paredes
T1
Figura 38: Conducción de calor a través de una pared plana multicapa
Método prueba y error
51
Tabla #3
Dimensión: Paredes refractarias y puertas del horno. Indicador: Especificaciones
Material Refractario Temperatura Conductividad Espesor °C (Kcal/h.m °C) m
Fibra de cerámica aislante
200 0,86
a) Asumir las temperaturas T2 y T4
#R: Número de resistencias
53
d) Comprobación de T2 y T4 asumidos
T2 asumido T2 calculado
T4 asumido T4 calculado 515,5 °C ≠ 508,2 °C
53,5 °C ≠ 50,386 °C
a') Asumir las temperaturas T2 y T4
54
d') Comprobación de T2 y T4 asumidos
55
T2 calculado = 508,4 T4 calculado = 50,385
T2 asumido T2 calculado
T4 asumido T4 calculado
508,17 °C ≠ 508,4 °C 50,386 °C ≠ 50,385 °C
a'') Asumir las temperaturas T2 y T4
56
d') Comprobación de T2 y T4 asumidos
T2 asumido T2 calculado T4 asumido T4 calculado
508,36 °C = 508,4 °C 50,385 °C = 50,385 °C
Zona 2
a) Asumir las temperaturas T2 y T4
58
d) Comprobación de T2 y T4 asumidos
T2 asumido T2 calculado
T4 asumido T4 calculado
673 °C ≠ 571,8 °C
59 a') Asumir las temperaturas T2 y T4
60
d') Comprobación de T2 y T4 asumidos
a'') Asumir las temperaturas T2 y T4
61
d’') Comprobación de T2 y T4 asumidos
62
a) Asumir las temperaturas T2 y T4
1165 > T2 > 229 > T4 > 60
T1 T3 T5
∆T1= ∆T2… ∆Tn : n Número de capas
#R: Número de resistencias
64 d) Comprobación de T2 y T4 asumidos
a') Asumir las temperaturas T2 y T4
65
d') Comprobación de T2 y T4 asumidos
a'') Asumir las temperaturas T2 y T4
67 d'') Comprobación de T2 y T4 asumidos
T2 asumido T2 calculado
T4 asumido T4 calculado
594,11 °C = 594,25 °C
60,482 °C = 60,485 °C
Tabla #6
Dimensión: Transferencia de Calor Indicador: Calor a través de las paredes
q/A parcial No. De
paredes q/A Total
Flujo de calor de la Zona 1 1788,89452 3 5366,68355 Kcal/ h.m2
Flujo de calor de la Zona 2 2183,510737 3 6550,53221 Kcal/ h.m2
Flujo de calor de la Zona 3 2240,200725 4 8960,8029 Kcal/h.m2
Flujo de calor de las paredes
en el horno - - 20878,0187 Kcal/h.m
2
Fuente: Miguel Aristega y Wendy Pico (11-04-2012)
Tabla #7
68
Consumo de bunker 1087,1 kg/h 9522996 Kg bunker/año
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR “
U”
69 Rc1 Resistencias térmicas por convección
para pared plana =>
Rc4
R1
Resistencias térmicas por conducción
para pared plana =>
hi = Coeficiente de película interno ho = Coeficiente de película externo K = Conductividad térmica
70
Coeficientes de película en el horno
Zona 1 ho = 85,2
Coeficiente Global de transferencia de Calor
Tabla #8
Dimensión: Transferencia de Calor
Indicador: Coeficiente Global de Transferencia de Calor en el horno DANIELLI
Zona 1 U = 1788,8945 = 1,842 Kcal/h.m2 °C
71
Calor por puerta – aberturas
PUERTA DE ABASTECIMIENTO Qpa: Calor de la puerta de abastecimiento
72
PUERTA DE DESHORNAMIENTO (Salida de la Palanquilla)
73 Siendo:
R: Calor por Radiación
Qpd: Calor de la puerta de deshornamiento
Qapd: Calor por abertura de puerta de deshornamiento Tpd: Temperatura de la puerta de deshornamiento.
PUERTA DE DESHORNAMIENTO (Brazo mecánico)
74
Qpd: Calor de la puerta de deshornamiento
Qapd: Calor por abertura de puerta de deshornamiento Tpd: Temperatura de la puerta de deshornamiento.
Calor por los Gases de Combustión
Entalpía Especifica de los humos (ANEXO J, Pág. 133)
kg combustible Kg gases
M gases: Masa de los gases de combustión en Kg gases/Kg comb H gases: Entalpía de los gases de combustión
75
Calor por inquemados gaseosos
Datos de Análisis de Gases de Combustión
Utilizaremos CH =CO, puesto que los equipos de medida con los que se realizan los análisis de gases leen el "equivalente" de CO para CO=CH.
%Pérdidas = 21 * ( CO + CH )
21 - O2 3100 1000
%Pérdidas = 21 * ( 4 + 4 )
21 - 11,47 3100 1000
%Pérdidas = 0,0117 % PCI inferior del combustible
Qig = %Pérdidas * PCI inferior
Qig = Calor por inquemados gaseosos
El agua formada por la oxidación del combustible puede presentarse como liquido o como vapor, esto da origen a dos valores de poder calorífico.
76
Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cámara de combustión, por lo cual para efectos de cálculo se toma el poder calorífico inferior.
Calor por inquemados sólidos
%Pérdidas = 21
Qis = Calor por inquemados sólidos OP = Opacidad
Calor Recuperado
ENTRA SALE
Aire para la Combustión 2908,2 Kg/h Aire para la Combustión 2908,2 Kg/h
Gases de Combustión 2817,97 Kg/h Gases de Combustión 2817,97 Kg/h
TOTAL 5726,17 Kg/h TOTAL 5726,17 Kg/h
Gases de Combustión m= 2818 kg/h
T= 400 °C
Aire para la Combustión m= 2908,2 kg/h
T= 250 °C
Gases de Combustión m= 2818 kg/h
T= 228,8 °C Aire para la Combustión
