Optimización de la combustión de un horno de llama invertida con el diseño de un sistema de control

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(1)OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION DE UN HORNO DE LLAMA INVERTIDA CON EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL.. por. FELIPE URIBE SILVA. Tesis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá, Colombia, 2004. ©(Felipe Uribe) 2004.

(2) IM -2004-II-48 i Declaro que soy el único autor de la presente tesis Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.. FELIPE URIBE SILVA C.C. 79´955.795 de Santa Fe de Bogota. También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de investigación solamente.. FELIPE URIBE SILVA C.C. 79´955.795 de Santa Fe de Bogota. i.

(3) IM -2004-II-48. ii. Página del lector La Universidad de los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección.. ii.

(4) IM -2004-II-48. iii. iii.

(5) IM -2004-II-48. iv. Bogotá, Enero 26 de 2005. Doctor ALVARO PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Estimado doctor Álvaro Pinilla Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado:” OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION DE UN HORNO DE LLAMA INVERTIDA CON EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL” como requisito parcial de grado del programa de pregrado en Ingeniería Mecánica. Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud. Atentamente,. FELIPE URIBE SILVA. Cod 199913380. iv.

(6) IM -2004-II-48. v. v.

(7) IM -2004-II-48. vi. Resumen Con el propósito de disminuir la contaminación ambiental generada por la quema de carbón, y ante las nuevas regulaciones del Departamento Administrativo del Medio Ambiente D.A.M.A., se diseño un sistema de control para combustión en un horno intermitente usando como parámetro el análisis de gases.. Se busca tener una producción de oxígeno en los gases de escape inferior a 6%, con esto se espera una baja contaminación, mientras se genera un ahorro de combustible, ya que se aumenta la eficiencia del sistema de combustión.. Para implementar este control, se tienen que hacer cambios y variaciones en los sistemas de inyección existentes. Estos cambios van encaminados a resolver otros problemas que solo con la implementación del control no se lograrían. Como son, la generación de productos tales como el NOx, el SOx, y por ultimo el manejo de desperdicios producto de la degradación total del carbón.. En el quemador usado por el horno se denomina quemador de subfuego, se diseño y se realizo un cambio en el sistema de inyección de aire, logrando que el quemador funcione en varias etapas, pasando de un quemador de una sola etapa, a, un quemador de dos etapas, teniendo inyección de aire de tipo subfuego y sobrefuego. Esta partición del aire se realizo teniendo que cuenta la emisión de NOx. El aire se subfuego y sobrefuego se divide en 65% y 35% respectivamente. Esto garantiza una mejor oxidación del carbón, y reduce la tasa de generación de NOx, al mismo tiempo desplaza la zona mas caliente hacia arriba y esto es muy importante ya que no permite que la ceniza ( desecho del carbón ), se funda. Al fundirse la ceniza impide el libre flujo del aire hacia la zona de combustión.. vi.

(8) IM -2004-II-48 vii El sistema de control funciona en base a un lectura realizada en la chimenea del horno, esta lectura se hará a través de un sensor de oxigeno, que dependiendo de el porcentaje existente en los gases genera un voltaje en cual es interpretado por la unidad de control que toma una acción. La unidad de control en un microcontrolador, el cual se programa para que realice la siguiente instrucción: tomar un medida del porcentaje de oxigeno permitido, el cual se define como un voltaje inicial de trabajo; luego toma la señal del sensor de oxigeno dispuesto en la chimenea, que será. un voltaje entre 0 y 5 voltios,. proporcional entre 0 y 25 por ciento de oxigeno. Con estas dos señales el control toma una decisión de acuerdo al programa en el inserto. Si la señal esta por encima de lo deseado, el control ordenara cerrar una válvula dispuesta en la succión del ventilador que inyecta aire a la zona de combustión, si la señal esta por debajo de lo deseado el control ordenara abrir dicha válvula. Esto se hará con un motor de paso, el cual se moverá cada dos grados dependiendo de la orden del microprocesador. Esta operación se hará la veces que sea necesario para lograr el equilibro deseado. Este sistema necesita de la implementación de sensor de oxigeno capaz de soportar atmósferas con contenido de azufre alto, dicho sensor es costoso, y la compañía interesada no dispone de los recursos suficientes para esta inversión, por tal razón el sistema no se implemento, pero si se construyo el control y el sistema de accionamiento de control (válvula) y se probo el sistema para ver si cumple con las expectativas de confiabilidad mecánica. Al mismo tiempo se quiso caracterizar el comportamiento del caudal entregado por el ventilador variando entre cero y cien por ciento la apertura de la válvula. El sistema de control demostró su capacidad para controlar el flujo másico entregado por el ventilador dependiendo de una sola variable, optimizando la vii.

(9) IM -2004-II-48 viii entrega de este a la zona de combustión; y aunque no se hacer la instalación total del sistema, se plantearon modificaciones que según cálculos y software especializado, presentan un mejoramiento en los procesos de combustión dando como resultado una cambio sustancial tanto en la entrega de energía al sistema como una disminución en los elementos contaminantes.. viii.

(10) IM -2004-II-48. ix TABLA DE CONTENIDO. Capitulo 1 Control de combustión Capitulo 2 MARCO TEORICO 2.1 Combustión de carbón 2.2 Generación de NOx 2.3 Generación de SOx 2.4 Manejo de Cenizas 2.5 Relación Aire / Combustible 2.6 Tipo de Carbón existentes y usados 2.7 Regulaciones DAMA 2.8 Producción de Productos de Gres. Capitulo 3 Descripción del problema 3.1 Condiciones actuales de trabajo. 1 2 2 2 4 5 6 7 9 10 11 11. 3.2 Descripción de equipo. 12. 3.3 Tipo de maquinas usadas. 14. 3.4 Inyección de aire al combustible. 14. 3.5 Relación aire / combustible actual. 15. Capitulo 4 Planteamiento de soluciones 4.1 Modificaciones Planteadas y sus Justificación. 20 20. 4.2 Sensor de oxigeno.. 21. 4.3 Alimentación de aire. 22. 4.4 Cambios en el quemador. 22. 4.5 Sistema de control. 26. 4.6 Lógica del Microcontrolador Capitulo 5 Pruebas e Tubos Moore S.A.. 28 35. 5.1 Lugar de pruebas. 35. 5.2 Simulación. 35. 5.3 Procedimiento. 40. 5.4 Resultados. 41. Conclusiones y Recomendaciones. 43. Referencias. ix.

(11) IM -2004-II-48. x Lista de Figuras. Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.5 Figura 6.1. Titulo Zona donde ocurre la fusión y ceniza y generación del Clinker. Productos de combustión de CH4. Horno Colmena. Diagrama de flujo de gases de combustión. Stoker modificado. Circuito del sistema de control. Ducto con aire primario y aire secundario. Ventilador con sistema de control instalado. Montaje del circuito de control. Válvula de control tipo mariposa. Montaje del sistema junto con manómetro de medición. Comportamiento del ventilador.. x. Página 5 7 13 14 24 33 36 38 38 39 40 42.

(12) IM -2004-II-48. xi Lista deTablas. Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla. 2.1 3.1 3.2 3.3 4.1. Tabla 5.1. Titulo Clasificación del carbón Análisis próximo del carbón Análisis ultimo del carbón Análisis de gases realizado por consultora INAMCO Reactivos y productos de combustión de carbón usando el 65 % de oxigeno Variables usadas. xi. Página 8 17 17 18 25 41.

(13) IM -2004-II-48. xii. xii.

(14) IM -2004-II-48. 1 Capitulo 1. 1.1 Control de Combustión A mediados de los años cincuenta, en Estados Unidos, se creo una legislación para lidiar con el problema de las emisiones. Esta se llamó, Acta para Control de la polución de Aire de 1955, donde se generaron recursos para la investigación sobre los problemas generados debido a la contaminación del aire. Luego en el año 1963 se creo una legislación para regular a las fuentes de contaminación estacionarias como plantas de generación de energía, plantas químicas, acerias, productoras de cemento, vidrio y gres, entre otras industrias. En esta legislación se obligó a la utilización de tecnología para la eliminación de contenido de azufre en los combustibles. En 1965 se entendió que los vehículos también eran una fuente importante de polución al medio ambiente y también comenzó su regulación.. El siguiente cambio importante en la legislación se presento en 1970 y 1980, cuando se estableció de forma casi universal, donde los países involucrados a cumplir estas regulaciones eran U.S.A., Canadá, Japón, y gran parte de la Comunidad Económica Europa. Los países líderes en el estudio en implementación de sistemas de control sobre sistemas de combustión a base de carbón mineral han sido U.S.A., Alemania, y Japón en orden respectivo. [1]. 1.

(15) IM -2004-II-48. 1 Capitulo 2 MARCO TEORICO. 2.1 COMBUSTIÓN DE CARBÓN. Este es un proceso termoquímico en la cual un sólido, en este caso el carbón libera su energía mediante la aplicación de calor y oxigeno, como primer paso de la combustión el carbón se destila formando gases que aun tienen poder de oxidación, en cuanto se destilan los compuestos volátiles, el sustrato carbonoso que es un producto se dicha destilación se oxida hasta quedar en cecinas, liberando así toda su energía. Los combustibles tienen una composición general de carbono, hidrógeno yazufre como elementos que producen calor, y otros tantos como nitrógeno oxigeno pequeñas cantidades de vanadio, níquel, sodio, etc.[ 3 ]. Reacciones del Carbón: La combustión puede considerarse como una mezcla de las siguientes reacciones: •. C (s) + O2 (g). CO 2 (g). + CALOR. •. H2(g) +. 1/2O2(g). H2O (g). + CALOR. •. S(s) +. 1/2O2 (g). SO2 (g). + CALOR. En la oxidación del carbón los productos se incrementan debido a la composición natural de este donde se encuentran altos contenidos de Nitrógeno y Oxígeno. [8]. 2. 2 GENERACIÓN DE NOx 1.

(16) IM -2004-II-48 2 La combustión de cualquier combustible fósil genera cierta cantidad de NOx, esto se debe a la alta temperatura y la existencia de una atmósfera rica en oxigeno. Las Emisiones de procesos de quema son en su mayoría – 90 % a 95 % [2] - de oxido de nitrógeno, el cual al salir con la atmósfera se vuelve a oxidar formando el muy conocido Dióxido de Nitrógeno NO2. Los problemas que genera este tipo de productos en la atmósfera son: o Smog urbano: Reacción entre hidrocarburo, el NO2 y la luz solar. o Lluvia Ácida: Reacción con hidroxilos. Existen dos mecanismos comunes de formación de NOx: el NOx térmico, y el NOx de combustibles. El NOx térmico se refiere al formado a través de la alta temperatura en la cual se genera la combustión, la rata de formación del NOx, es directamente proporcional a la temperatura y al tiempo de permanencia en la zona de combustión. A temperaturas de mayores de 1200 grados centígrados, se generan niveles importantes de NOx, con esta temperatura los átomos de O2 y N2 se disocian y forman las siguientes reacciones que se consideran como las más importantes: •. Principales Reacciones del Nitrógeno: N2 + O. NO + N. N. + O2. NO + O. N. + HO. NO + H. Otro mecanismo se denomina el NOx de combustible; este mecanismo de generación produce la mayor parte de los óxidos de nitrógeno al medio ambiente, ocurre durante la destilación del combustible y se reacciones no son del todo entendidas. Durante la destilación del carbón se generan compuestos intermedio los cuales se oxidan para formar NO, o se reducen para formar NO2 en la Zona de poscombustión. Este tipo de reacciones están altamente ligadas a la relación de Aire / Combustible existente durante el proceso de quema, pero no tiene 2.

(17) IM -2004-II-48 3 dependencia de la temperatura de la zona de combustión, pero esta razón la mejor forma de controlar esta emisiones es a través de la combustión por etapas. En la etapa inicial se busca reducir la cantidad de oxigeno disponible, así se logra que el nitrógeno producido se reduzca a N2, ya que los radicales de hidrocarburos compiten por el oxigeno disponible. La formación de compuestos de nitrógeno se debe a dos factores, el primero es una temperatura alta, la otra es una atmósfera rica en oxigeno disponible con el cual se oxida. La forma mas simple de controlar es reducir los picos y la temperatura de llama adiabática, y teniendo una combustión por etapas. Los óxidos de nitrógeno reaccionan con el vapor de agua dando así: NO2 + OH. HNO3. Siendo unos de los componentes principales de la lluvia ácida.[2] 2.3 GENERACIÓN DE SOx La emisión de SO2 ha estado siempre presente en el medio ambiente, es producida por la descomposición de la materia y emitidas a la atmósfera, siendo estas emisiones fácilmente absorbidas por el medio. Pero cuando se realiza la combustión de hidrocarburos, se generan grandes cantidades de SO2 sobre puntos localizados que hacen que la atmósfera y el medio ambiente se sature y pueda absorber dichas cantidades en su totalidad. •. Principales reacciones del Azufre: S2 + 2O2. 2SO2. Cuando los óxidos de azufre se combinan con el agua forman soluciones de ácido sulfúrico como por ejemplo: 3.

(18) IM -2004-II-48 SO(g) + H2O(l) O(g) + 2H2SO3 (sol). 4 H2SO3(sol) 2H2SO4(sol). (1) (2). El compuesto formado debido a la reacción del oxido de azufre con el agua el un compuesto acuoso denominado lluvia ácida. La generación de estos dos compuestos durante la combustión es casi imposible, pero existen métodos de control de emisiones para estos compuestos, los cuales se mencionarán mas adelante. [2] 2.4 Manejo de Cenizas.. Otro de los productos relacionados con la combustión de Carbón mineral es la Ceniza, que es lo que queda – en estado sólido- después de realizada todos los procesos de oxidación del combustible. La ceniza es relativamente pequeña y es compuesta en su mayoría por Sílice, por esta razón es muy abrasiva. La remoción de la ceniza debe realizarse cuando esta fría y no ha formado clinker [2], pero esto es muy difícil de controlar debido a las características del quemador actual usado. Cuando la ceniza alcanza la temperatura de fusión, pasa de un estado sólido a un estado viscoelástico y cuando se enfría su estado final es parecido al de un vidrio (SiO2), a esto se le denomina clinker y aunque frágil es bastante duro. Este tipo de clinker hace que el flujo de aire sea más difícil por que genera una capa vítrea justo encima de la zona de combustión. [2]. 4.

(19) IM -2004-II-48 Figura 2.1 Zona de fusión de Cenizas y formación de Clinker. 5. Tomado de: www.localhistory.scit.wlv.ac.uk/Museum/Engineering/Bigwood/Bigwood1.htm La temperatura de la fusión de ceniza varía un poco de acuerdo al tipo de carbón utilizado. 2.5 RELACION AIRE / COMBUSTIBLE: Para que ocurra combustión se necesita de un combustible y un oxidante, esta mezcla debe poseer varias propiedades para que funcione de forma óptima; Primero se necesita una buena mezcla; segundo, al menos el aire necesario para la totalidad de la oxidación del combustible, tercero, gozar de tiempo suficiente para la combustión y por ultimo, una buena temperatura en el hogar. A medida que estos cuatro parámetros se alcanzan la combustión se vuelve más eficiente y produce menos productos contaminantes a la atmósfera. [3] Los combustibles están compuestos a base de Carbono e Hidrógeno, y cuando son puestos en contacto con oxígeno, forman óxidos de Carbono, y agua; pero el carbón presenta un contenido de azufre, lo que genera en los gases de combustión óxidos de azufre los cuales son altamente dañinos.. Los Productos de la Combustión del carbón son: CO2, H2O, CO, SOx,. NOx, C, O2. 5.

(20) IM -2004-II-48 6 • Cuando se tiene la cantidad de aire estequiométrico para la combustión, se genera la mayor cantidad de CO2 posible, y el resto del oxigeno reacciona con el hidrógeno formando agua. •. Cuando se tiene insuficiencia de aire, se forma CO2, H2O, CO, H2 y queda combustible incombusto.. •. Cuando se tiene exceso de aire, se forma CO2, H2O, y O2, y queda igualmente combustible incombusto. [12]. Grafica 2.1 combustión de CH4. 1. Fraccion Molar en la fase. Productos de Combustion CH4 1.60E-01 1.20E-01 CO2 8.00E-02. CO O2. 4.00E-02 0.00E+00 0.6. 0.7. 0.8. 0.9. 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. Radio Aire Teorico /Aire Real. En esta gráfica se aprecia que a medida que aumenta la relación de aire / combustible, por encima de la razón estequiométrica, se incrementa el contenido de Oxigeno en los productos de la combustión. Con el porcentaje de Oxigeno conocido se puede determinar la cantidad de aire en exceso existente. Aunque para hacer un control mas preciso es necesario, tener mas medidas del sistema, solo con el porcentaje de oxigeno es suficiente.. 1. Para esta grafica se elimino el % de N2 y O2, debido a que su escala es mucho mas grande, pero su porcentajes se van reduciendo a medida de aumenta el Lamda. Grafica hecha en Excel con datos obtenidos del programa en D.O.S. llamado Stanjan.. 6.

(21) IM -2004-II-48 7 El carbón al tener presente el azufre, va a generar un porcentaje de óxidos de azufre, SOx, que es proporcional a la relación aire / combustible; también por las altas temperaturas y el exceso de aire, se va incrementar la tasa de generación de NOx, estos dos productos son los mas contaminantes y aunque ya existe formas de reducir su emisión, no están implementadas de una forma amplia. [3] 2.6 TIPO DE CARBON EXISTENTES Y USADOS En Colombia existen diferentes formaciones geológicas que datan de diferentes edades, dando así diferentes calidades de carbón, y esto se debe a la “edad” de dichas formaciones. La calidad del carbón se puede medir en la edad de descomposición de este en el subsuelo, a medida que aumenta su edad aumenta su poder calorífico. [3] El carbón usado en el centro del país es obtenido de los departamentos de Cundinamarca y de Boyacá, donde se encuentran varios tipos de este: Clasificación del Carbón Tabla 2.1 Clasificación del carbón Mineral (ASTM D 388) [5] CLASE GRUPO 1. Antracita Metaantrasita Antracita Semiantracita 2. Bituminoso Carbón bituminoso poco volátil Carbón bituminoso de volatilidad media Carbón bituminoso A Alta volatilidad Carbón bituminoso B Alta volatilidad Carbón bituminoso C Alta volatilidad 3. Subituminoso Carbón subituminoso A Carbón subituminoso B Carbón subituminoso C 4. Lignitico Lignitico A Lignitico B. 7.

(22) IM -2004-II-48 8 En Cundinamarca el carbón se encuentra en la formación Guaduas ubicada en la cordillera oriental y de esta zona se pueden extraer carbones Bituminosos con altos contenidos en Volátiles. En Boyacá tenemos tres zonas importante: La primera es Tunja-Duitama donde se pueden encontrar carbones subituminosos hasta Bituminosos grado C altos en Volátiles, Otra zona importante es SogamosoJericó, aquí se encuentran principalmente carbones Bituminosos B y C altos en volátiles Estos carbones con altos contenidos en volátiles son lo que se denominan como carbones coquizables, los cuales son de amplia utilidad, en especial para industria siderurgica, aunque también se usa de forma muy amplia como carbón térmico. [15] Los precios del carbón han aumentado en lo corrido del año 2004, presentándose en un incremento en el precio de casi un 200%, esto se debe al alto consumo mundial de carbón coquizable por parte de las siderurgicas, y, a que el gremio carbonero del centro del país ha logrado implementar con éxito planes de exportación obteniendo cabida a mercados donde se puede obtener un mejor precio, incrementando de esa forma los precios internos de este combustible. 2.7 Regulaciones DAMA. El Departamento Técnico Administrativo de Medio Ambiente - D.A.M.A – es el ente encargado de controlar y hacer cumplir las normas y decretos en cuanto a contaminación ambiental se refiere. La legislación vigente en cuanto a la contaminación de medio ambiente y calidad de Aire es el Decreto 948 de 1995, en cual es una reglamentación parcial de tres diferentes leyes y decretos Ley : 1. Ley 23 de 1973. 2. Decreto Ley 2811 de 1974. 3. Ley 99 de 1993. En esta se diferencian 4 tipos de contaminación: 8.

(23) IM -2004-II-48 9 –Nivel normal (Nivel I): concentración de contaminantes en el aire, que no se producen efectos nocivos, directos ni indirectos, en el medio ambiente, o la salud humana. –Nivel de prevención (Nivel II): concentraciones de los contaminantes en el aire, causan efectos adversos y manifiestos, aunque leves, en la salud humana o en el medio. ambiente.. – Nivel de alerta (Nivel III): concentración de contaminantes en el aire, puede causar alteraciones manifiestas en el medio ambiente o la salud humana y en especial alteraciones de algunas funciones fisiológicas vitales, enfermedades crónicas en organismos vivos y reducción de la expectativa de vida de la población expuesta. – Nivel de emergencia (Nivel IV): concentración de contaminantes en el aire, puede causar enfermedades agudas o graves u ocasionar la muerte de organismos vivos, y en especial de los seres humanos. [7] En cuanto a las emisiones producidas por fuentes estacionarias de combustión de hidrocarburos, se tiene que cumplir los decretos 86 y 97 donde se regula la obtención de permisos y licencias de funcionamiento con vigencia de 5 años prorrogables con la presentación de un "Informe de Estado de Emisiones'' (IE-1) obtenido de l articulo 86 del decreto 948 de 1995. [7] Para el año 2005 se empezar a controla las emisiones de CO y de azufre, razón por la cual para la empresa es importante iniciar proyectos que buscan la reducción y control de emisión de contaminantes.. 2.8 Producción de Productos de Gres. Los Productos manufacturados por la empresa Tubos Moore S.A., son usados en la construcción de edificaciones, estos comprenden ladrillos, Bloques, pisos, chafaletas y cubiertas, todos estos productos se fabrican a base de arcilla, yluego son llevados a cocción donde se da su acabado final 9.

(24) IM -2004-II-48 10 Para la producción de estos elementos se usa la arcilla la cual es molida, luego, es extruida en las diferentes formas de los productos. Estos productos tienen un alto porcentaje de agua en su interior – entre 15 y el 25 % - el cual tiene que ser retirado – no totalmente – antes de entrar a los hornos para realizar su cocción. Para el proceso de cocción se usan hornos a base carbón, llamados hornos colmena. [14]. 10.

(25) IM -2004-II-48. 11. Capitulo 3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. Descripción General: 3.1 Condiciones Actuales de Trabajo La planta. de producción de Tubos Moore cuenta con hornos colmena (25. unidades), en los cuales se quema carbón mineral para la cocción de productos de gres, esta quema se realiza mediante equipos de inyección de aire y carbón por acción mecánica, integrados en una sola unidad llamados STOKERS, los equipos fueron adquiridos por la compañía hace mas de veinte años. En estos quemadores en donde se hace la combustión del carbón, esto ocurre dentro de los hornos, y los gases producidos o de escape son puestos en contacto con el material donde se genera una transferencia de calor y se logra la cocción del producto. Cuando se hizo la instalación de estos quemadores se realizó una capacitación por parte del vendedor, se instalaron los controles y se diseñó un protocolo de manejo de acuerdo al tipo de carga existente en los hornos, también se dejo en los archivos de la compañía un manual de operación, mantenimiento y reparación de los equipos, con sus referencias y especificaciones técnicas. Al día de hoy, no existe un equipo que conserve los controles puestos por parte del fabricante, ni tampoco existe el mencionado protocolo, el cual debió ser cambiado para adaptarse a las condiciones actuales del equipo; tampoco existe un conocimiento por parte de los mecánicos acerca de la originalidad de los equipos y solo se cuenta con los manuales de operación, mantenimiento y reparación de los equipos. [14] 11.

(26) IM -2004-II-48 12 El problema consiste en que, en los quemadores no existe forma de controlar la relación aire / combustible ( debido a su desmantelamiento ), ni tampoco de saber si dicha relación es correcta o al menos cercana a la ideal, lo cual genera altos costos de producción debido a los altos consumos de carbón registrados en los últimos años; por esta razón se quiere modificar el sistema de alimentación de Aire para lograr un control sobre la combustión y a su vez la instalación de un sensor en la chimenea de los hornos, una válvula en la inyección de aire y modificaciones secundarias en el quemador. 3.2 Descripción del Equipo Horno Usado: Horno Tipo COLMENA o de llama invertida. Estos hornos son hechos en los mismos ladrillos que hace la compañía, son cilíndricos con una cúpula, y tienen 4 quemadores distribuidos simétricamente en su periferia, en los cuales se encuentran los Stokers, en cada quemador existe un parrilla, y una zona de quema, delimitada por un muro que confina la zona de quema y direcciona los gases hacia la cúpula, este espacio se denomina el espacio de comb ustión. [13] La parte central del horno conforma lo que se denomina la bóveda, en este lugar es donde se pone el material a quemar, el cual se apoya en un suelo perforado donde se encuentran los caños o tubería de extracción de gases que luego son llevado a la Chimenea La disposición de los hornos hace que ellos compartan entre si una chimenea por cada dos hornos, la comunicación entre la chimenea y los caños del los hornos esta restringida por una barrera física, la cual se retira cuando alguno de los hornos va a entrar en funcionamiento.. 12.

(27) IM -2004-II-48. 13 Figura 3.1 Horno Colmena. Espacio de Combustión: Esta es la zona donde el carbón y el aire se mezclan para dar inicio a la combustión, es aquí donde el carbón se destila, y esos volátiles se oxidan con el oxigeno presente, luego de su destilación, el sustrato carbono restante se termina de oxidar hasta llegar a las cenizas. Se puede describir como un cajón que rodea la zona de combustión ubicado en la parte interna del horno. [2].. Chimenea: Los gases de escape golpean la cúpula y luego bajan y entran en contacto con el material frío, provocando un cambio de temperatura en este, luego llegan al suelo perforado y es conducido por los caños hacia la chimenea, donde son expulsados.. 13.

(28) IM -2004-II-48. 14 Figura 3.2 Diagrama del flujo de gases.. 3.3 TIPO DE MAQUINAS USADAS:. STOKER: 1. Ventilador, que inyecta el aire necesario para la combustión. 2. Reductor de Velocidades que mueve el tornillos sinfín de alimentación. 3. Retorta: Parrilla donde el carbón se esparce. 4. “Tuyeres” Desviadores de aire para una combustión homogénea 5. Depósitos de Ceniza. [17]. 3.4 INYECCIÓN DE AIRE AL COMBUSTIBLE El horno colmena cuenta, como se dijo anteriormente, de cuatro ( 4 ) quemadores y cada uno de ellos cuenta con un ducto que inyecta carbón y otro que inyecta aire, cada ducto de aire representa un flujo de aire necesario para la mezcla en cada quemador, el cual se podía controlar por medio de las válvula instaladas por el fabricante que actualmente no existen.. 14.

(29) IM -2004-II-48 15 Al existir 4 quemadores, debería existir 4 válvulas de control, se necesitarían a su vez cuatro accionadores electromecánicos para dichas válvula, por esta razón se estudió un cambio en el sistema de inyección de aire, donde el flujo inicialmente de aire es llevado por un solo ducto, pero, por costos y dificulta implementación es mas fácil instalar los cuatro mecanismos de control. Punto de operación Al conocer el estado actual de las máquinas se aprecia a simple vista un descuido por parte de la compañía en sus equipos y se puede concluir que la quema no se esta haciendo bajo parámetros conocidos del sistema, lo que ocasiona una baja eficiencia de la maquina (horno colmena), genera problemas ambientales y aumenta los costos de producción. En los Stokers, la falta de elementos de control hace muy difícil la tarea de mantener una entrega de energía uniforme al sistema y promueve la generación en altas tasas de gases tóxicos como los son el NO2 y SO2; y por ultimo, hace difícil el manejo de los desechos del carbón, las cenizas. 3.5 RELACION AIRE / COMBUSTIBLE ACTUAL. Para optimizar la combustión en un quemador, necesitamos saber la relación exacta entre el combustible a quemar y el combustor, de esta forma aseguraremos que todo el combustible, (o la mayoría) de este se queme.. La relación de aire / combustible,. en combustibles denominados como. homogéneos , como lo son el gas natural ( CH4 ), o el propano ( C3H8), tienen una relación definida y casi estándar, pero en el caso del carbón esta relación varia de acuerdo a la composición de este, determinada en el análisis próximo y último. 15.

(30) IM -2004-II-48 16 El carbón esta compuestos como se dijo anteriormente por Carbono fijo, Hidrógeno, Azufre, Oxigeno, Nitrógeno y Ceniza. Cuando estas relaciones cambian, cambia a su vez la cantidad en Kg de aire necesaria para una buena combustión. Los elementos consumidores de Oxigeno son: Carbono, Hidrogeno y Azufre, formando los conocidos Óxidos de Carbono y Azufre, y Agua. •. Por cada Kg de Carbono, se necesita. 2.66. Kg de Oxigeno. •. Por cada Kg de Hidrogeno, se necesita. 7.94. Kg de Oxigeno. •. Por cada Kg de Azufre, se necesita. 0.998. Kg de Oxigeno. Cuando se realiza la quema de carbón estos compuestos se oxidan, pero también existe una liberación del oxigeno presente en el combustible la cual reacciona con los elementos que constituyen el combustible. Este oxigeno existente es descontado del necesario para formar los compuestos antes mencionados. Luego de hallarse el oxigeno necesario para la oxidación anterior, hay que tener presente que una parte del combustible, se quedara atrapado por la cenizas, lo cual es carbono inquemado que tiene todavía la capacidad de oxidarse en presencia de oxigeno, y ese oxigeno representa el exceso de aire que se debe inyectar en la mezcla para que exista un combustión optima.. Para el cálculo del oxígeno necesario de combustión se necesitan dos parámetros:. Oxigeno necesario para la generación de los productos. Oxigeno necesario para la quema de los inquemados.. 16.

(31) IM -2004-II-48 17 Al realizar el análisis próximo del carbón logramos determinar los porcentajes constituyentes de este, pero es necesario conocer su composición de forma más detallada con un análisis último, y realizar a su vez un análisis de los gases de combustión durante el proceso de quema. [3] Composición CARBON TUBOS MOORE S.A. [16]. Análisis Próximo Tabla 3.1 Analizas Próximo Carbón Tubos Moore Elemento. % peso. Carbón. 44.15. Volátiles. 33.5. H2O. 2.1. Cenizas. 20.25. Análisis Último: Tabla 3.2 Analizas Ultimo Carbón Tubos Moore. Poder Calorífico Superior. Elemento. % peso. Carbón. 51.44. Hidrogeno. 3.7272. Oxigeno. 17.4324. Nitrógeno. 1.164. Azufre. 3.88. H2O. 2.1. Cenizas. 20.25. 7000 K Cal / Kg.. 17.

(32) IM -2004-II-48. 18. Análisis de Gases de combustión [9]:. Tabla 3.3 Analizas Gases INAMCO Seca CO2 CO2 O2 N2 Humedad. Húmeda 3.5 0 17 79.5. 3.2 0.0 15.6 73.2 8.0. Con estos datos ya podemos empezar al calcular la cantidad de oxigeno necesaria para la optima combustión del quemador [3]: Para el carbono presente de la tabla 2:. 0.5144 Kg Carbón * 2.66 Kg O2/ Kg. Carbono 1.36. Kg O2. Para el hidrogeno presente de la tabla 2: 0.3722 Kg Carbón* 7.94 Kg O2/ Kg Hidrogeno 0.296 Kg O2 Para el hidrogeno presente de la tabla 2: 0.3722 Kg Carbón * 0.998 Kg O2/ Kg Azufre 0.0387 Kg O2 Oxigeno presente de la tabla 2:. 0.1743. Kg O2.. Sumando la cantidad de oxigeno necesaria para la oxidación del Carbono, Azufre e Hidrógeno, y restando la cantidad de oxigeno en el combustible, encontramos la cantidad de aire estequiométrica para la combustión del carbón 18.

(33) IM -2004-II-48 Cantidad de Kg de AIRE. 19 1.52 Kg O2 * 4.29 Kg Aire / Kg O2 6.55 Kg de AIRE / Kg Carbón. Ahora encontraremos la cantidad de exceso de aire para completar la combustión de los inquemados: Se encontró en pruebas hechas por la compañía que el 25 % de la ceniza en peso, era carbón atrapado, eso no da que la ceniza posee un poder calorífico igual a 350 K Cal / Kg. C i = ( 350 / 7000 ) * 0.2 = 0.01 Kg Carbono / Kg Combustible Cq = 0.5144 - 0.01 = 0.5044 De la tabla 3, obtenemos. 79.5 % N2 de la tabla 2 obtenemos 1.164 % N2. Aire / Comb = { [ 0.795*28 / (( 0.035 + 0 ) * 12) ] - 0.01164 } / 0.7658 Aire / Comb = 50 kg de aire / Kg Carbón. Esto nos da un exceso de aire Existente del 664 %, en la mezcla. Este valor es muy alto, y se estima que su valor real sea de un 200 %; la falta de datos como lo son la cantidad de CO producido hace que este valor obtenido de exceso de aire no sea real, pero si se advierte que existe un exceso de O2 en los gases, por ende un exceso de aire en la relación aire / combustible. Cuando se tiene defecto o exceso de aire se generan varios problemas, que le restan energía a entregar, al combustible:. 1. Temperatura de llama Baja. 2. Un hogar frió. 3. Reacción de compuestos mas nocivos al medioambiente. 4. Carbón sin quemar que se pierde en las cenizas (atrapado). 5. Generación de Material Particulado (carbón inquemado). [3]. 19.

(34) IM -2004-II-48. 20. Capitulo 4. SOLUCIONES AL PROBLEMA 4. Modificaciones Planteadas y sus Justificación: Para lograr un control general sobre la relación de aire / combustible, es necesario conocer el estado de funcionamiento del horno de forma continua, así mismo se requiere de una modificación en la alimentación del combustor para lograr un control efectivo sobre el sistema de forma sencilla.. Para esto se desea instalar un sensor de Oxigeno (O2) en la salida de la chimenea y observar su comportamiento, partiendo de la base que, a medida que aumenta la cantidad de oxigeno (% en volumen) se esta teniendo un incremento en la cantidad de aire necesario para lograr un buena combustión. La instalación de este sensor requiere de un equipo complementario de soporte que sea capaz de leer e interpretar su respuesta y luego realizar una acción sobre una de las variables que controlan el sistema, este equipo es un microprocesador, el cual lee la señal del sensor en voltaje y de acuerdo a sus instrucciones internas accionara el mecanismo de control Para la instalación del mecanismo de control, se debe hacer una variación en el ventilador que hace la inyección de aire hacia el quemador. De forma obligatoria se tiene que realizar cambios en el sistema de alimentación de aire para lograr un buen funcionamiento del equipo, ya que ha sido modificado. 4.1 SENSOR DE OXIGENO. Transmisor de Oxigeno OXYMETTER 4000. 20.

(35) IM -2004-II-48 21 Este sensor esta diseñado para aplicación industrial en especial para procesos de oxidación de combustibles, donde es posicionada en el ducto de escape y puede realizar su trabajo si necesidad que los productos de la combustión calienten la sonda. Este equipo contiene una celda electroquímica calentada de forma independiente que esta hecha a base de un disco de Zirconio, rodeado por dos capas porosas con electrodos metálicos. Cuando el equipo esta en la temperatura optima de operación detecta el cambio de presión parcial del O2 en la mezcla de gases yes comparado con el Aire de referencia. (O2 20.95% ), En este momento, los iones. de oxigeno viajan desde la zona de presión alta a la mas baja; cuando esto pasa se tiene un cambio de corriente que se modela con la de Nernst: EMF = K * T * log 10 Donde: K T. P1 +C P2. Constante aritmética Temperatura Absoluta. P1 Presión parcial del oxigeno de referencia P2 Presión parcial del oxigeno en el gas medido C. Constante de la Celda.. La señal es proporcional a logarítmico inverso de la concentración de Oxigeno, por lo tanto, la señal de salida aumenta cuando la concentración de oxigeno de la muestra gaseosa disminuye. El sensor es capaz de registrar hasta un 25 % oxigeno y registra una señal de 4 a 20 mA la cual el inversamente proporcional a la concertación oxigeno. [11] Lugar de instalación:. Para lograr una medida estable se instalara la sonda dentro de la chimenea que conduce los gases a la atmósfera a una altura de 3.5 metros del suelo, y la sonda 21.

(36) IM -2004-II-48 22 deberá estar en el centro de la zona transversal de la chimenea, la cual tiene una sección cuadrada de un metro por un metro, esta disposición se obtiene del procedimiento de Análisis Isocinetico realizado por la consultora INAMCO, compañía que realiza los dichos estudios para la empresa desde hace varios años atrás. 4.3 ALIMENTACIÓN DE AIRE El quemador ( STOKER ) cuenta con un ventilador centrífugo que le proporciona el aire para la combustión. La capacidad del ventilador es: Ventilador Centrífugo Century R-207 Motor de 5 HP Capacidad 1200 CFM ( 0.57 m^3/s ) Tubería Cuadrada de 210 mm Ducto lamina galvanizada de 4 mm. 4.4 CAMBIOS EN EL QUEMADOR El quemador usado por Tubos MOORE es su hornos es de tipo Underfeed[2] donde el carbón entra en la parte mas baja de este, y así mismo es la entrada de aire, y la descarga de ceniza se hace de forma horizontal. Este tipo de quemador es el menos eficiente ya que no se tiene una buena mezcla del carbón con el oxigeno, y exige que el aire introducido lleve una velocidad alta para generar turbulencia y así producir poco humo; pero esta alta velocidad del aire genera a su vez otro problema, que la partículas finas del carbón son arrastradas por el torrente y no se queman, y se genera material particulado, otro inconveniente es que, en este tipo de quemador se incrementa la probabilidad de creación del clinker ( ceniza fundida ) ya que la zona mas caliente se genera en la parte 22.

(37) IM -2004-II-48 23 superior y hace que la ceniza se funda, lo que hace que el flujo de aire se bloquee debido a su estado viscoelastico.. También se ha encontrado que con este tipo de quemadores, la tasa de generación de NOx y SOx se incrementa a diferencia de otros equipos de quema de carbón. Este equipo se denomina equipo de quema en una sola etapa, por que se espera que el carbón destile sus volátiles mientras llega a la parte de los costados de la retorta y luego se convierta en ceniza.. Se quiere hacer de este quemador, un equipo que sea menos problemático en su funcionamiento, y a su vez menos contaminante.. Se hará de la combustión en el quemador un proceso en etapas, este tipo de quema genera las siguientes ventajas: •. Reduce la Tasa de Creación de NOx y SOx. •. Garantiza que gran parte del Carbono fijo se oxide. •. Desplaza la zona caliente de quema a un nivel mas alto. •. Evita la fusión de la ceniza. Para lograr esto se necesita una alimentación del aire de combustión en dos etapas, para eso se utiliza la división del flujo de aire; uno denominado subfuego, y el otro sob refuego; la cantidad de aire recomendado para el subfuego y el sobrefuego es 65 % y 35 % [2] respectivamente del aire necesario para lograr un combustión completa. Otra razón para optar por este tipo de quema (etapas) radica en la calidad de carbón usado por parte de la compañía. Para el quemador de una etapa se recomienda un carbón con un porcentaje de ceniza en peso entre 5 % y 10 %[4], y para un quemador de dos etapas se recomienda un carbón con 18 % mínimo de 23.

(38) IM -2004-II-48 24 material volátil y un contenido de ceniza del 15 máximo; actualmente se esta usando un carbón que muestra entre un 12 % y 20 % de ceniza.. Figura 4.1 Stoker modificado.. Temperatura Adiabática: Esta es la temperatura máxima a la cual los productos de la combustión pueden llegar si no existe intercambio de calor con los alrededores, trabajo ni cambios en la energía potencial y cinética envuelta en la reacción Determinar la temperatura de flama adiabática nos clarifica los materiales que se pueden usar en la reconstrucción del quemador con sus modificaciones, además esta temperatura es la que define si la ceniza se fundirá o no. Se puede obtener la relación de aire necesaria para evitar que la ceniza se funda, esto se hace a través de:. •. Combustión en Etapas:. Se realiza la combustión por etapas y se hacen dos zonas de quema donde las temperaturas serán distintas debido a las reacciones allí envueltas, en la zona 24.

(39) IM -2004-II-48 25 donde el carbón se destila y pasa al sustrato carbonoso se denominara la zona primaria y en esta se realiza un combustión incompleta con aproximadamente el 65 % del aire usado. [2] La zona donde se espera completar la combustión se llama la zona secundaria y en esta se inyecta la cantidad de aire restante para la oxidación de los volátiles obtenidos de la destilación del carbón en la primera etapa. Las reacciones obtenidas en la primera etapa son: o C. +. CO +. 0.5 O2. C + Calor. ENTRA. SALE. Reactivos. Moles. H de formación. Productos. Moles. H de formación. C. 1. 0. CO. 0.65. -70.121. O2. 0.5*0.65. 0. N2. 1.22. 39.983. N2. 1.22. 0. C incombusto. 0.35. 0. Tabla 4.1 Reactivos y Productos de combustión al 65 % de oxigeno. Asumiendo un proceso adiabático e isotérmico, y usando un programa [4] tenemos que la temperatura Máxima alcanzada es de 1271 ° C, y esta temperatura es menor a la temperatura a la cual se espera que se funda la ceniza; hay que tener en cuenta que la temperatura del hogar va a ser menor debido a la transferencia de calor que existe con los alrededores, esta perdida se estima en un 20% a 30 %, lo que nos daría un temperatura máxima alcanzada del hogar de 1015 ° C, y así se evita la fusión de la ceniza que genera inconvenientes antes mencionados. En cuanto a al zona secundaria, se tendrá una temperatura mas alta y es de acuerdo a esta temperatura que se escoge el material del cual se va a realizar el inyector del aire secundario. Se decidió utilizar los materiales existentes en la planta como tubería de Gres de pequeño diámetro - 6 “-, pero con la alta temperatura se podría fundir durante la operación del horno, por esta razón se 25.

(40) IM -2004-II-48 decidió construir un aislamiento para el tubo de 6 pulgadas. 26 con ladrillo. refractario y así evitar la fusión de este.. 4.5 SISTEMA DE CONTROL El sistema de control consta de un microcontrolador el cual se encarga de tomar decisiones sobre la válvula a controlar de acuerdo a los parámetros insertos; y a los parámetros de comportamiento del horno, los cuales son transmitidos por medio del sensor de oxigeno. El microcontrolador es un PIC de MICROCHIP, y tiene la siguiente función: •. Definir un punto de operación: Esta asociado con la cantidad de oxigeno que se desea obtener en la mezcla. Expresada en voltios. •. Recibir una señal de parte del sensor: Esta señal muestra el estado del horno y se define como cantidad de oxigeno. Expresada en voltios.. •. Hacer la operación de comparación: La señal del sensor debe estar lo mas cercano posible al punto de operación.. Si la señal esta por encima del punto máximo de operación cerrar la válvula Si la señal esta en el rango del punto de operación no intervenir Si la esta por debajo del punto de mínimo de operación abrir válvula. 26.

(41) IM -2004-II-48 27 El sistema requiere un tiempo de estabilización el cual esta relacionado con el tipo de combustible usado en este caso se usa carbón mineral que a diferencias de los gases de combustibles como Gas Natura o GLP, su tiempo de respuesta es lento. Por esta, el tiempo de estabilización del sistema no será de gran importancia. El microcontrolador hará una evaluación del sistema cada 5 minutos, y de esa forma hará una corrección sobre la cantidad de aire que entra en la mezcla. El micro controlador moverá un motor de paso el cual esta conectado en forma directa a la válvula que regula la cantidad de aire que el ventilador puede tomar de la succión. Microcontrolador El equipo utilizado es un Microcontrolador Marca PIC, manufacturado por MICROCHIP, tipo PIC 16F873A.. 27.

(42) IM -2004-II-48 4.6 LÓGICA DEL MICROCONTROLADOR [18] ;PROGRAMA PARA CONTROL DE SEÑALES ANALOGAS ;********************************************************** #INCLUDE P16F873A.INC ;********************************************************** ;ENTRADAS PUERTO A COMO ENTRADA ANALOGA ;********************************************************** ;SALIDAS PUERTO RB0-RB4 COMO SALIDAS AL MOTOR PAP ;********************************************************** ;REGISTROS DE PROPOSITO GENERAL ;********************************************************** CBLOCK. 20H. TEMPO CSEG SEGUNDOS MINUTOS SETPOINT GIRO FLAGS ENDC ;********************************************************** ;INICIO Y CONTROL DE INTERRUPCION ;********************************************************** ORG0x00 GOTO START NOP NOP NOP GOTO ORG. START LOOP0. INTERRUPCION 0x05. MOVLW. 20. MOVWF. FSR. CLRF INDF INCF. FSR,F. 28. 28.

(43) IM -2004-II-48. 29. MOVLW. 4F. XORWF. FSR,W. SKPZ. ;SKIP ON ZERO. GOTO LOOP0 BSF. STATUS,RP0. MOVLW. B'00001011'. MOVWF. TRISA. MOVLW. B'00000000'. MOVWF. TRISB. MOVLW. B'00000000'. MOVWF. TRISC. MOVLW. B'11000110'. MOVWF. OPTION_REG. MOVLW. B'00000100'. MOVWF. ADCON1. MOVLW. B'10100000'. MOVWF. INTCON. BCF. STATUS,RP0. B. $. INTERRUPCION BCF. BCF. INTCON,GIE. INTCON,T0IF. ;CLRF PORTB CALL SERVI_T0 RETFIE. SERVI_T0. INCF. CSEG,F. MOVLW. .38. XORWF. CSEG,W. SKPZ RETURN CLRF CSEG INCF. SEGUNDOS,F. MOVLW. .3. XORWF. SEGUNDOS,W. 29.

(44) IM -2004-II-48. 30. SKPZ RETURN CLRF SEGUNDOS INCF. MINUTOS,F. MOVLW. .1. XORWF. MINUTOS,W. SKPNZ CLRF MINUTOS CALL SETP CALL CONTROL RETURN. SETP. MOVLW. B'01000001'. MOVWF. ADCON0. INCF. TEMPO,F. BTFSS TEMPO,2 GOTO $-2 CLRF TEMPO BSF. ADCON0,2. BTFSC ADCON0,2 GOTO BCF. $-1 ADCON0,0. MOVFW. ADRESH. MOVWF. SETPOINT. RETURN CONTROL. MOVLW MOVWF INCF. B'01001001'. ADCON0. TEMPO,F. BTFSS TEMPO,2 GOTO $-2 CLRF TEMPO BSF. ADCON0,2. BTFSC ADCON0,2 GOTO BCF. $-1 ADCON0,0. MOVFW. ADRESH. 30.

(45) IM -2004-II-48. 31. ADDLW. .25. SKPNC B. SP_BAJO. SUBWF BC SP_BAJO. SETPOINT,W. IZQUIER MOVLW. SUBWF. .25. ADRESH,W. SKPC RETURN SUBWF BNC. SETPOINT,W. DERECHA. RETURN IZQUIER. MOVFW. GIRO. CALL T_IZQ MOVWF INCF. PORTB. GIRO,F. MOVLW. .4. XORWF. GIRO,W. SKPNZ CLRF GIRO RETURN T_IZQ. ADDWF. PCL,F. RETLWB'10000000' RETLWB'01000000' RETLWB'00100000' RETLWB'00010000' DERECHA. MOVFW. GIRO. CALL T_DER MOVWF INCF. PORTB. GIRO,F. MOVLW. .4. XORWF. GIRO,W. SKPNZ CLRF GIRO. 31.

(46) IM -2004-II-48. 32. RETURN T_DER. ADDWF. PCL,F. RETLWB'00010000' RETLWB'00100000' RETLWB'01000000' RETLWB'10000000' END. 32.

(47) IM -2004-II-48 Montaje del circuito de control. 33. Figura 4.2 Circuito de Control. 33.

(48) IM -2004-II-48. 34. Motor de Paso La característica principal de los motores paso a paso es su precisión a la hora de moverse, ya que su rotación esta obligara a la entrega precisa de pulsos, o sea que por cada pulso que se le de al motor este se mueve un paso. Todos los motores varían en su amperaje de operación (potencia), pero los motores de paso también se clasifican en los grados recorridos por su eje en cada impulso dado (paso), los motores de puede mover desde 90° por cada paso hasta 2 ° por cada paso, mientras mas es el numero de pasos necesario para mover el motor , mas preciso será este. Especificaciones del Motor Voltaje de Entrada. 4.5 VDC. Amperaje. 1.4 Amp. Paso. 180 pasos/rev. Tenemos que este motor mueve su eje 2.0 ° por impulso, y una potencia a carga máxima de 4.5 vatios, lo que es igual a 0.006 Hp. Otra particularidad de estos motores es que su rotor está bloqueado cuando se encuentra activo y permanece fijo debido a la resistencia magnética que impone el imán permanente del rotor sobre los polos del estator. Válvula Mariposa La válvula que realiza el control será una válvula mariposa, se escoge esta tipo de equipo. debido a su fácil manufactura dentro de la planta y fácil instalación,. además es la que ofrece menores perdidas teniendo un K entre 0.1 y 0.15. [10] Instalación: La instalación se realizara en un ducto acoplado a la succión del ventilador, este tubo tiene el mismo diámetro que el la entrada del ventilador, la cual es cercana a las 10 pulgadas, la válvula esta conectada de forma directa con el motor de paso el cual la abre y cierra de acuerdo a las necesidades que se tengan al momento de operar el horno.. 34.

(49) IM -2004-II-48. 35. CAPITULO 5 Pruebas en Tubos Moore 5.1 Lugar de pruebas En la planta de Tubos Moore existe un horno de pequeño diámetro el cual es usado para pruebas de quema con nuevos materiales y diferentes texturas, este horno consta tan solo de un quemador y su propia Chimenea, lo que hace que el costo de las modificaciones no sean de gran costo para la compañía. El honor se denomina con el numero 25 y tiene 4 metros de diámetro y una altura de Bóveda de 5.5 metros de diámetro, con una capacidad de 40 Toneladas de productos de gres, y se estima que su consumo puede estar entre las 6 y 8 toneladas de carbón mineral. Los equipos de quema son básicamente los mismo, un STOKER que consta de una unidad inyectora de carbón (tornillo sinfín) y una unidad inyectora de Aire (Ventilador), y su zona de combustión (retorta). Aquí se aprecia las modificaciones hechas en los sistemas de inyección de Aire; con esto se espera reducir la contaminación por parte de Nitrógeno, y también se espera que el manejo de desperdicios, que es este caso son la cenizas no sea tan problemático como lo es actualmente. Para realizar la prueba se necesita la instalación del sensor de Oxigeno, el cual representa un alto costo que la compañía no se puede hacer cargo debido a su situación económica actual. Aunque se realizaron las modificaciones en el horno, no se hacen las pruebas en este debido a la falta de todos los equipos necesarios para lograr su óptima operación y obtener resultados confiables. 5.2 SIMULACIÓN. Debido a la falta de equipos se decidió hacer una simulación del sistema de control para comprobar su funcionamiento y que cumple con los requerimientos mecánicos exigidos a la hora de operar.. 35.

(50) IM -2004-II-48. 36. Figura 5.1 Aire primario & aire secundario.. Se tomo el ventilador que inyecta el Aire a al quemador, y se instalo como se mostró anteriormente la válvula de cierre, a esta válvula se le conectó el motor de paso con su circuito de control. Para la simulación se usaran dos potenciómetros los cuales darán los voltajes requerido y simulados: Potenciómetro 1: En este se dará el punto de operación un voltaje ente 0 y 5 voltios.. 36.

(51) IM -2004-II-48. 37. Potenciómetro 2: En este se dará la señal que puede emitirse en el sensor durante la operación, también se dará entre 0 a 5 Voltios representado el exceso de aire en la mezcla. En la simulación solo se quiere observar el comportamiento del sistema de control y comprobar que el equipo (hardware & software) funciona correctamente, adicionalmente se desea observa y registrar el comportamiento del ventilador cuando se varia el ángulo de apertura de la válvula ubicada en la succión del ventilador, se grafica la cantidad de caudal entregado en porcentaje contra los grados de la válvula, la cual variara en dos grados por cada paso. Figura 5.2 Ventilador con válvula de control. 37.

(52) IM -2004-II-48. 38. Equipo Usado •. Control electrónico, que incluye el micro controlador y el motor de paso. Figura 5.3 Montaje de circuito y motor de paso.. •. Ventilador con su válvula de accionamiento. Figura 5.4 Válvula de control tipo mariposa.. 38.

(53) IM -2004-II-48. •. 39. Tubo en “ U “ . Figura 5.5 Manómetro y control electrónico instalados.. 5.2 Procedimiento Se instala en el ducto principal de salida del ventilador un manómetro de columna de agua conocido como tubo en “ U ”, se procede a encender el ventilador teniendo la válvula de la succión en 100 % de apertura y se tomara la diferencia. 39.

(54) IM -2004-II-48. 40. de altura existente. Luego se enciende el sistema de control e igualando los voltajes, el de referencia y el de simulación se logra que el motor, es decir, la válvula no se mueva. Luego se varia el voltaje a través del potenciómetro de simulación y el sistema de control mueve el motor dos grados por paso. En cada paso dado por el motor se toma una lectura de la diferencia de altura en el manómetro. Se repetirá este procedimiento hasta completar los 45 pasos o los 90 grados de giro del motor, teniendo al final, la válvula de succión completamente cerrada. Con estos resultado y conociendo la densidad el agua se calcula la diferencia de presión en cada grado de apertura o cierre de la válvula.. Presión. =. densidad * gravedad * altura [6]. Al determinar la presión, se puede obtener gracias a la ecuación de Bernoulli, la velocidad del fluido y luego por usando la ecuación de continuidad podemos obtener el caudal del ventilador. Tabla 5.1 Variables usadas Datos usados. Valor. Densidad del Agua. 1000 kg / m3. Densidad Aire Bogota. 0.888 kg / m3. Gravedad. 9.81 m / s2. Área transversal ducto. 0.0441 m2. 40.

(55) IM -2004-II-48. 41. 5.3 Resultados: Obtenidos estos datos se realizo una grafica del caudal entregado por el ventilador contra el porcentaje de apertura de la válvula mariposa.. Grafica 5.1 % de caudal vs % de apertura.. Caudal vs Apertura 100 2. % de Q entregado. R = 0.959 80 60. 40 20. 0 1. 10. % de apertura. 100. La grafica esta en escala semilogarítmica, y se aprecia que su comportamiento es de forma lineal a partir que se realiza el cincuenta por ciento (50%) de apertura de la válvula. Esto significa que para modificar de forma controlada la entrega de aire por el ventilador se tiene que trabajar sobre un rango de 50 a 100 % de apertura. Para aperturas entre 0% a 50% se tiene que las variaciones son muy pocas y el caudal entregado también es bajo. Esto es acorde con el comportamiento esperado según el manual de operación de dicho ventilador.. Debido a que existe un cambio de presión en el fluido, y los parámetros de construcción son ajustados a las necesidades de la compañía, las graficas de comportamiento de válvulas comunes para fluidos no representan comportamiento real del caudal entregado por el ventilador.. 41.

(56) IM -2004-II-48. 42. CONCLUSIONES. •. El sistema de control demostró su capacidad para controlar el flujo másico entregado por el ventilador dependiendo de una sola variable, optimizando la entrega de este a la zona de combustión.. •. Se plantearon modificaciones que según cálculos y software especializado, presentan un mejoramiento en los procesos de combustión dando como resultado una cambio sustancial tanto en la entrega de energía al sistema como una disminución en los elementos contaminantes.. •. El sistema de control,. al trabajar con una retroalimentación, es. independiente de la cantidad de oxigeno presente en el carbón, garantizando así su funcionamiento frente a las diferencias presentadas por este combustible. •. Se debe tener en cuenta que la señal emitida por el sensor de oxigeno ofrecerá un retardo debido a que la medición se hace en la chimenea, donde los gases de escape ya han pasado por los productos de cocción, y no se mide directamente sobre el quemador.. •. El sistema de control se puede modificar fácilmente debido a su software, que se puede quemar en el microcontrolador de forma sencilla, acoplándose a las necesidades y ajustándolo al comportamiento que se ira evidenciando a medida que se pone a prueba.. 42.

(57) IM -2004-II-48. •. 43. Se recomienda que el control entre en funcionamiento, cuando se logre estabilizar la combustión en la zona de quema y se tenga una temperatura óptima de funcionamiento.. •. Como ultima recomendación, se debe implementar tecnología para controlar la emisión de SOx. Una de estas es el uso de soluciones acuosas alcalinas en el torrente de escape para generar una reacción de neutralización que conlleva a una precipitación de un sólido (CaSO3) que es de fácil remoción.. 43.

(58) IM -2004-II-48. 44. REFERENCIAS. 1. America Meteorological Society. Acta de 1955. Control de polución del aire. Acta de 1970. Aire limpio.http://www.ametsoc.org/sloan/ cleanair/ cleanairlegisl. html#caa55 2. Babcok and Wilcox, Steam, its generations and use. Universidad de los Andes, Bogota. Ed. The Babcok and Wilcox Co. 3. Beltrán, R. ( 199?). Principios de conversión térmica de energía. Universidad de los Andes, Bogota. Ed. Publicación Uniandes. 4. Autor: Rafael Beltrán Profesor de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes. 5. Baumeister,T. Manual de Ingeniero Mecánico. Volumen II. 6. Crane.(1992). Flujo de Fluidos. En Válvulas, accesorios y tuberías. Ed McGrawHill. 7. D.A.M.A (1995). Resolución 948.. 8. Departamento Técnico de Mas Nieto S.A. (1988). Ahorro de energía a través de una correcta combustión en calderas y hornos. Técnica Cerámica, (165), 341-363.. 9. Inamco.(2003). EVALUACION DE CONTAMINATES AL AIRE TUBOS MOORES S.A. Archivo Tubos Moore S.A. Ed. Inamco. 10. Loboguerrero, J.(1999). Bombas Rotodinámicas y de Desplazamiento Positivo. Universidad de los Andes. Ed Publicación Uniandes.. 44.

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