TFG CONTROL DE EMISIONES EN UNA CALDERA DE VAPOR ALIMENTADA CON ORUJILLO.pdf

7/24/2019 TFG CONTROL DE EMISIONES EN UNA CALDERA DE VAPOR ALIMENTADA CON ORUJILLO.pdf

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*Diferencia a (100- Cenizas)**8,515-4,46=4,055*** Los caudales de gas y aire son calculados respecto al caudal de orujillo de la situacin 1

Como ambos caudales son proporcionales entre s, se sigue cumpliendo la ecuacin.

lvaro Azagra Morn Pgina 2

NDICE

1. Introduccin y objetivos.........................................................pgina 3

2. Especificaciones tcnicas de la caldera y del orujillo...............pginas 4-6

3. Control de emisiones.......................................................pginas 7-163.1 Ciclones..............................................................pginas 7-8

3.2 Precipitadores electrostticos.................................pginas 8-10

3.3 Lavadores hmedos............................................pginas 10-11

3.4 Filtro de Mangas.................................................pginas 12-15

3.5 Intercambiador..................................................pginas 16-19

4. Diseo final...................................................................pgina 20-32

4.1 Diseo intercambiador de placas..............................pginas 25-28

4.2 Diseo filtro de mangas..........................................pginas 29-32

5. Normativa aplicada........................................................pginas 33-40

6.Conclusiones.................................................................pginas 41


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Introduccin y objetivos

El orujillo es la biomasa obtenida del orujo de dos o tres fases una vez

deshuesado parcialmente, reducida la humedad en secaderos tipo trmel y

desengrasado en plantas de extraccin fsica-qumica.

Su fraccin seca est

compuesta por piel (15-30%), hueso (30-45%) y slidos finos de pulpa (30-

50%) Es una biomasa que como el hueso procede de la aceituna, se

produce en grandes cantidades en Espaa.

Normalmente se usa como combustible biomsico en calderas industriales

para produccin trmica. Es el combustible usado en gran parte de las

calderas de la industria agroalimentaria asociada con la aceituna. En la

ltima dcada se exporta en grandes cantidades a Europa para combustible

de calderas industriales, en sustitucin de otros combustibles fsiles, facilita

el cumplimiento del pacto de Kioto por sus reducidas emisiones de CO2. El

resto se utiliza principalmente para la generacin de electricidad en plantas

de biomasa andaluzas, generalmente en centrales con tecnologa de turbinade vapor ubicadas en el mismo complejo agroindustrial de la extractora.

El uso de orujillo para el secado tiene como inconvenientes una elevada

emisin de partculas, que sobrepasan los lmites establecidos si no se

aplican sistemas de captacin adecuados. Por ello, es de especial inters el

control de emisiones en una caldera de vapor alimentada con orujillo.


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ESPECIFICACIONES DE LA CALDERA Y DEL ORUJILLO

El control de emisiones se va a realizar en una caldera de vapor alimentadacon orujillo con una capacidad de produccin de 12 toneladas a la hora,

cuyo vapor se quiere a 16 kg/cm2, aproximadamente unos 200C.

Existen muchos fabricantes de caldera de biomasa que producen vapor

saturado, dentro de la gran variedad de calderas de escala industrial (la

capacidad de produccin es considerablemente alta) se ha seleccionado el

modelo global-500 del fabricante "Grupo Nova Energa" debido a las

siguientes caractersticas principales:

Caldera de acero y revestimiento en refractario para la produccin de

agua caliente, agua sobrecalentada, vapor saturado o vapor

sobrecalentado. Potencias de 350 a 5800 kW.

Su software de fcil manejo permite una gestin global del proceso

de combustin.

Su construccin modular permite mantener la cmara de combustin

y sustituir el intercambiador de calor superior, de manera que se

puede obtener la produccin de agua caliente a 95 C 2 bar, agua

sobrecalentada a 150C 5 bar o vapor saturado a 12 bar.

Amplia cmara de postcombustin que reduce las emisiones en la

atmsfera y facilita la decantacin de las partculas en el interior de lamisma cmara.

Revestimiento refractario de gran espesor que facilita el secado del

combustible y homogeneza el flujo de los gases de entrada al

intercambiador.


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Geometra de la caldera diseada con 4 pasos de humo para

aumentar al mximo los tiempos de permanencia de los humos en el

interior de la caldera y as alcanzar la mayor eficiencia con las

mnimas emisiones en la atmsfera.

Foto 1. Caldera Global-500 1

En cuanto las especificaciones del orujillo, a continuacin se detalla su

anlisis elemental:


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Identificacin

ORUJILLO

Cdigo Laboratorio C-001-05

PARMETRO Unidad COMO SE RECIBE BASE SECA

RESULTADO Incert.(k=2) RESULTADO Incert.(k=2)

CARBONO

ASTM D5373 n/PEE-C-7%p -- -- 49,51 0,16

HIDRGENO

ASTM D5373 n/PEE-C-7

%p -- -- 5,69 0,07

NITRGENO

ASTM D5373 n/PEE-C-7%p -- -- 1,18 0,07

AZUFRE

ASTM D4293 n/PEE-C-6%p -- -- 0,10 0,06

OXGENO (1)

n/PEE-C-11

%p -- -- 34,89 0,27

HUMEDAD

UNE 32-001 n/PEE-C-2%p 5,66 0,13 -- --

CENIZAS

ASTM D3174 n/PEE-C-4%p 8,14 0,17 8,63 0,18

VOLTILES

UNE 32-019 n/PEE-C-5%p 64,65 0,30 68,53 0,30

CARBONO FIJO (2)

n/PEE-C-11%p 21,55 0,40 22,84 0,42

Observaciones

(1) Diferencia a (100 - Cenizas).

(2) Diferencia a 100.

(n.c.) No Calculada.


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CONTROL DE EMISIONES

En este apartado, se va a analizar diferentes alternativas para el control de

emisiones de la caldera de vapor alimentada con orujillo, considerando las

ventajas e inconvenientes de las mismas, para elegir la opcin ptima tantoen materia de lmites de emisin como tambin el punto de vista

econmico.

3.1 Ciclones

Los ciclones usan el principio de la fuerza centrfuga para remover el

material particulado. En un cicln, el flujo contaminante es forzado a un

movimiento circular. Este movimiento ejerce fuerza centrfuga sobre laspartculas y las dirige a las paredes exteriores del cicln. Las paredes del

cicln se angostan en la parte inferior de la unidad, lo que permite que las

partculas sean recolectadas en una tolva. El aire limpio sale del cicln por

la parte superior de la cmara, pasando por un espiral de flujo ascendente o

vrtice formado por una espiral que se mueve hacia abajo.

Foto 2. FUNCIONAMIENTO CICLN

Los ciclones son eficientes para remover partculas grandes pero no son tan

eficientes para partculas pequeas. Por esta razn, a menudo se usan con

otros dispositivos de control. A pesar de lo anterior, hay muchas fbricas


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que siguen utilizndolo ya que antiguamente los lmites de emisin no eran

tan severos y en la actualidad, se encuentran con que deben de cambiar de

mtodo para hacer cumplir la normativa medioambiental.

Foto 3. Multiciclones instalados tras caldera de vapor alimentada con orujillo en la fbrica de Fuente del Obispo(Jan) Grupo Acesur

3.2 PRECIPITADORES ELECTROSTTICOS

La precipitacin electrosttica o electrofiltracin es una operacin bsica de

separacin de partculas slidas o lquidas (nieblas) suspendidas en

corrientes gaseosas, por efecto de la fuerza que un campo elctrico ejerce

sobre dichas partculas elctricamente cargadas.

El principio de operacin de los equipos de precipitacin electrosttica

consiste en dotar a las partculas a depurar de una cierta carga elctrica, de

tal forma que, bajo la accin de un campo electrosttico, son depositadas

sobre unas superficies de captacin, siendo posteriormente separadas


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definitivamente de la corriente gaseosa. En este sentido, los electrofiltros

son los nicos equipos de desempolvado en los que las fuerzas encargadas

de la separacin actan exclusivamente sobre las partculas y no sobre la

totalidad de la masa del gas, produciendo muy bajas prdidas de carga.

Foto 4. Esquema bsico de un electrofiltro de placas

Esta alternativa tiene asociada una serie de ventajas e inconvenientes que

estn detallados a continuacin :

Ventajas:

1. Muy altos rendimientos de depuracin (pueden ser superiores al 99%).

2. Alta eficacia fraccional para partculas de pequeo tamao.

3. Capacidad de tratamiento para volmenes de gases muy grandes,

produciendo muy bajas prdidas de carga (10 a 20 mm.c.a.).

4. Posibilidad de ser diseados para un amplio rango de temperaturas de


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operacin, desde temperatura ambiente hasta unos 500 C.

5. Capacidad para recogida del slido depurado tanto seca, como por va

hmeda.

6. Bajo coste de operacin, excepto para casos de muy alta eficacia.

Desventajas:

1. Alto coste de inversin.

2. No aplicables para la depuracin en simultneo de emisiones gaseosas.

3. No demasiado flexibles, una vez instalados, ante ciertos cambios en las

condiciones de operacin (humedad, composicin y temperatura del gas,

naturaleza de los slidos).

4. Equipos de grandes dimensiones, con altas necesidades de espacio para

su

implantacin.

5. Limitaciones de funcionamiento cuando operan con slidos de muy alta

resistividad.

3.3 LAVADORES HMEDOS

Los colectores hmedos o "scrubbers", han logrado una significativa

aceptacin como equipos de depuracin, debido a su probada eficacia para

captar simultneamente partculas y absorber gases contaminantes de una

corriente de gas. El principio de funcionamiento de estos equipos consiste

bsicamente en poner en ntimo contacto la corriente de gas con un lquido

que, usualmente, es agua o una solucin acuosa.

En un colector hmedo entran en juego varios mecanismos tales como el

impacto inercial, la interceptacin directa, la difusin y la condensacin,

adems de fuerzas externas gravitatorias, centrfugas y electrostticas.


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Entre las ventajas que proporcionan estos equipos cabe citar que su

operacin es simple, que pueden absorber simultneamente gases

contaminantes, que reducen el peligro de fuego o explosin en el caso de

partculas inflamables o explosivas y, por ltimo, que la inversin necesaria

es moderada al ser equipos muy compactos.

Foto 5. Funcionamiento lavador hmedo

Los inconvenientes principales que cabe citar son los elevados costes de

operacin ocasionados por la prdida de carga y el agua necesaria, el

enfriamiento del gas que reduce la flotabilidad en salida de chimenea, la

posible alteracin de las propiedades del slido y la exigencia de una planta

de tratamiento de lodos.


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3.4 FILTRO DE MANGAS

La filtracin a travs de tejidos, papel o fieltro es, probablemente, el ms

antiguo, simple y eficaz procedimiento de separacin de polvo de una

corriente de gas. A escala industrial se emplea cuando las partculas a

eliminar son de pequeo tamao, se requiere una gran eficacia y es

deseable recoger el polvo seco. Cuando son operados correctamente

alcanzan eficacias del 99,9% con prdidas de carga de 50 a 150 mm.c.a.

La operacin consiste bsicamente en forzar el paso de la corriente de gas a

travs del medio filtrante (tejido). El tejido produce un cierto efecto

filtrante, aunque su principal misin consiste en servir de soporte para la

capa de polvo (torta) que rpidamente se acumula sobre l. Capa de polvo

que es la responsable de la alta eficacia de filtracin de partculas de

pequeo tamao.


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Foto 6. Funcionamiento filtro de mangas

A continuacin se detalla las ventajas e inconvenientes que ofrecen los

filtros de manga como alternativa al control de emisiones procedentes de la

caldera:

Las principales ventajas de los filtros de tejido son:

1. Muy alta eficacia, incluso para partculas muy pequeas.

2. Posibilidad de operar con una gran variedad de tipos de polvo.

3. Baja sensibilidad a variaciones en la carga de partculas.

4. Diseo modular con capacidad para operar en gran rango de caudales de

gas.

5. Prdidas de carga no demasiado altas.


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6. Las partculas se recogen secas facilitando su reprocesamiento o

eliminacin final.

Por contra sus principales limitaciones son:

1. Gran necesidad de espacio para su implantacin.

2. La vida til del tejido puede ser demasiado corta cuando el polvo o el gas

son

fuertemente alcalinos cidos y la temperatura elevada

3. Para temperaturas superiores a 275 C se requieren tejidos de material

refractario (filtros cermicos) o metlico todava en estado de desarrollo.4. La condensacin de humedad o la deposicin de partculas de alquitrn o

brea pueden ocasionar la colmatacin del filtro.

5. Concentraciones superiores a 50 g/cm3 de polvos fcilmente oxidables

suponen un peligro potencial de incendio o explosin.

Tras este anlisis de opciones posibles, se selecciona la opcin del filtro de

mangas ya que es la opcin con mayores porcentajes de eliminacin(un

buen diseo implicara reducciones por encima del 99,9%), adems de que

es muy flexible ante cambios en la carga, adems de ser modular que

permite enfrentarse a un gran abanico de caudales de humos.

Por la contra, el principal inconveniente que posee que su temperatura de

operacin mxima(275C) es inferior a la temperatura de salida de los

gases de la caldera(300C). Pero para ello se intercala un precalentador de

aire entre la salida de la caldera y la entrada del filtro de mangas,asegurando que los humos se enfren a una temperatura de 150C.


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3.5 INTERCAMBIADOR

Lo clsico sera optar por un Ljungstrm, intercambiador de tipo

regenerativo, ya que sus ventajas se basan en que se procura utilizar laenerga restante de fuentes que ya han participado en el proceso de

generacin de calor como son los gases de combustin, pero conservando

parte de la capacidad para incrementar la energa de la sustancia de

trabajo, en este caso el aire de combustin.

Aunque no estn incluidos dentro de la termodinmica del ciclo, estos

aparatos mejoran la combustin de la caldera, disminuyendo el consumo de

combustible y por lo tanto mejorando la eficiencia trmica de la planta.

Los pre-calentadores de aire son intercambiadores de calor de tipo

regenerativo con movimiento del fluido a contracorriente o contra flujo, y se

clasifican en dos tipos de pre-calentadores de aire regenerativos conocidos

por el nombre de sus respectivos creadores: Rothemhle y Ljungstrm.

Ambos constan de una cesta que se expone alternativamente al flujo de aire

caliente y al flujo de aire frio, en el Rothemhle la cesta es fija y se mueven

los conductos de aire y en el Ljungstrm es la cesta quien gira

exponindose a uno y otro flujo. Es decir, en el Rothemhle, aire se calientaa medida que fluye a travs de la canasta, que ha obtenido la energa

trmica de los gases de escape. En cambio Ljungstrm, la parte de la cesta

expuesta a los gases calientes absorbe calor y luego se lo cede al aire frio.

En este caso, el calor no se transfiere a travs de una placa o un tubo, sino

que es absorbido y cedido por la misma superficie.


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Foto 7. Funcionamiento Ljungstrm 1

Por contra, estos equipos disponen de una serie de inconvenientes quepriman para optar por otro tipo de equipos:

Uno de los problema son las fugas de aire hacia el flujo de humos, debido ala rotacin, que exige siempre una holgura entre las partes mviles y fijas yhace aumentar el caudal de aire requerido y es difcilmente controlable.

Adems estos equipos requieren de un alto mantenimiento, por todo el

conjunto de partes mviles que dispone, aparte de ser equipos con unossistemas de control importantes para regular la velocidad del rotor paraasegurar en todo momento la temperatura de salida de los humos. Estasrazones hacen que este equipo sea inviable en muchas pequeas industriasya que suelen ser sitios pocos tecnificados y no sera apropiado.

Por ltimo tambin existe un riesgo de incendio ya que son equipos quetrabajan por motores elctricos a altas temperaturas, con la posibilidad quealguna chispa provoque algn incendio o explosin en la planta.

Estas razones hacen que el intercambiador elegido sea recuperativo,en losque la transferencia de calor se verifica de forma directa y continua, atravs de la pared que separa los fluidos, lo que garantiza la permanenteseparacin de los flujos que intervienen en el proceso de intercambiotrmico.

Dentro de los precalentadores recuperativos, se clasifican segn lasuperficie de intercambio trmico est conformada por:


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Un determinado conjunto de tubos, cuya superficie global es la delcalentador de aire para el intercambio calorfico.La energa trmicase transfiere desde los humos calientes que circulan por el interior delos tubos, al aire que circula por su exterior.

Foto 8. Tres pasos de aire en contracorriente, humo en contracorriente

Un conjunto de placas paralelas que canalizan, por separado, los dosfluidos que intervienen en el proceso. Estos calentadores constan debateras de chapas en paralelo y transfieren el calor, en flujoscruzados, desde los humos calientes que fluyen por un lado de lachapa, al aire fro que fluye por el otro lado. El sellado entre los flujos

de aire y humos se obtiene por soldadura de los bordes de laschapas, o mediante una junta, muelle y compresin externa de lasbateras de chapas.


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Foto 9. Intercambiador de placas humo ascendente

En esta imagen se puede observar como el flujo de gas neto procedente dela caldera entra por abajo y sale por arriba para que en su movimientoascendente pueda desprenderse de partculas que seran recogidas en uncenicero en la parte inferior del intercambiador. Esto hace que esaspartculas ms gordas no entren al filtro de mangas y no puedan obstruir latela.


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Foto 10. Montaje intercambiador de placas

Dentro de los intercambiadores recuperativos se elige el intercambiador deplacas frente al de tubos por una serie de ventajas:

Son ms compactos: disponen de una superficie de intercambio muygrande requiriendo menor espacio en planta.

Alto rendimiento trmico.

Seguros: ausencia de contaminacin entre circuitos debido al selladoindependiente de ambos mediante las juntas de estanqueidad.

Livianos: Su diseo proporciona ms fcil manipulacin en planta,embarque y seguridad de uso en la instalacin.

Ensuciamiento mnimo: Debido a su diseo auto limpiante de lasplacas.

Expansibilidad y durabilidad: Posibilidad de ampliacin de placas para

el futuro incremento del rendimiento trmico en planta y renovacinde efectividad con el cambio de placas.

Fcil limpieza: permite una apertura y cierre fcil y rpido paralimpieza mecnica, lo que implica un menor gasto de operacin.


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DISEO FINAL

El diseo del filtro de manga y del intercambiador de placas, se basa en

simples balances de materia y energa, a partir del anlisis elemental delorujillo y de la capacidad de la caldera principalmente. Las reaccionesfundamentales que se producen en la combustin del orujillo son:

1) 2) 3) La lnea de funcionamiento ser: para una base de 100 kg/h de orujillo,vemos el caudal de vapor producido en la caldera, y extrapolamos con eldato real de 12 toneladas/h de vapor producido, las diferentes magnitudesque sean necesarias. As pues:

A partir del anlisis elemental del orujillo, con los pesos atmicos se obtienelos kmol/h de cada elemento y con una base de 100kg/h tenemos:

Elemento Masa (kg/h) Moles(kmol/h)

Carbono 49,51 4,126

Hidrgeno 5,69 5,69

Azufre 0,1 3,125x10-3

Nitrgeno 1,18 0,084

Oxgeno 34,89* 2,18

A partir de la estequiometra de las reacciones se calcula el oxgenoestequiomtrico para determinar el caudal de aire necesario, adems del

caudal volumtrico de gases de combustin.

Reaccin estequiomtrico(kmol/h)

Gases producido(kmol/h)

1 4,126 4,126 ()2 1,4225 2,845 ()3 3,125x10^-3 3,125x10^-3()


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El oxgeno estequiomtrico necesario procedente del aire ser la suma delos 3 valores anteriores menos la propia cantidad de oxgeno que viene enel orujillo. As pues:

estequiomtrico(aire)= (4,126+1,4225+3,125x10-3)- 1,09=4,46 kmol/h

La relacin de oxgeno en el aire es del 21%, por lo que se requiere 21,24kmol/h de aire(16,78kmol/h de nitrgeno). Adems por la ley de gasesideales, 1 kmol equivalen a 22,4 m3, por lo que se halla el caudalvolumtrico de aire directamente:

Teniendo en cuenta que hay un 10% de oxgeno en los gases de salida yque adems la temperatura del aire es T(C), se calcula el caudal real deaire:

Por otro lado, tambin es necesario calcular el caudal de gases tantovolumtrico como msico, teniendo en cuenta que est formado por losproductos de las reacciones principales, adems del nitrgeno y oxgeno sinreaccionar:


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Con los caudales msicos de orujillo y humos, y conociendo el podercalorfico del orujillo(PCI=3900 kcal/kg),se puede calcular el caudal msicode vapor correspondiente mediante un balance de energa en la caldera.

Se va a contemplar dos situaciones:

1) El aire que entra en la caldera entra a una temperatura ambiente de30C

2) El aire que entra en la caldera es precalentado en un intercambiador deplacas con los humos de salida, que salen a unos 300C.De esta manera, seaumenta el rendimiento energtico de nuestra operacin, traducindose enun ahorro de combustible y por consiguiente, de humos a tratar.

El balance de energa de ambas situaciones se puede modelar de lasiguiente manera: el poder calorfico del combustible se utiliza en conseguir

el vapor a 16kg/cm2a partir de agua lquida a 30C y para calentar losgases de salida:

+ (1)

Donde para la situacin 1:

PCI=3900 kcal/kg =100 kg/h = 30C El trmino del aire se anula al entrar a 30C

= 1

es la temperatura correspondiente a los 16kg/cm2que se

aproxima a 200C entalpa de vaporizacin, 464,9 kcal/kg = 1260,87 kg/h = 0,24

es la temperatura de salida de los gases de combustin, C

es la incgnita de nuestro balance


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De aqu se obtiene que el caudal de vapor =478.81kg/h. Como en

realidad la caldera produce 12 toneladas/h de vapor, se obtiene el caudalmsico de orujillo de manera lineal.

Ya calculado, se puede hallar utilizando el mismo procedimiento anterior, elcaudal volumtrico de humos que ser necesario para el diseo del filtro demangas. A ese caudal de orujillo le corresponden:

kg/h, que son 1080,32 kmol/h de humos.

Por la ley de los gases ideales y teniendo en cuenta que salen a300C:

Antes de realizar el balance energtico de la situacin 2, es necesario

calcular a cul temperatura sale el aire del pre-calentador mediante unbalance de energa en el mismo. Para ello, se debe establecer que loshumos salen a una temperatura lo suficientemente baja para que el filtro demangas posterior no tenga problemas de operacin, la cual es 150C.

Donde***:

= 0,24

es la temperatura de entrada del fluido caliente, 300C es la temperatura de salida del fluido caliente, 150C

es la temperatura de salida del fluido fro, incgnita la temperatura de entrada del fluido fro, 30C


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De la ecuacin (2) resulta que el aire sale a =192C.

Ahora, ya se puede plantear el balance de energa (1) pero ahora todos los

trminos estarn referidos a la nueva incgnita, que es el nuevo caudal decombustible :

= 192C

El resto de trminos permanecen inalterados.

As pues, con estos valores, el consumo de combustible se ve reducido un13% hasta 2180,34 kg/h. Al igual que antes, volvemos a calcularel caudal volumtrico de gases que ser necesario para el diseo del filtrode mangas.

kg/h, que son 939,88 kmol/h de humos.

Por la ley de los gases ideales y teniendo en cuenta que salen a 300C:

La situacin 2, la que el aire que utilizamos para refrigerar los humos, esintroducido a la caldera a 192C, nos permite un importante ahorro. Comoel precio del orujillo est aproximadamente a 0,05/kg y que la planta

opera unas 8000 horas al ao:

AHORROanual= (morujillo- m'orujillo) x 0,05x8000= 130348 /ao


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4.1 DISEO INTERCAMBIADOR DE PLACAS

Una vez analizado lo que ocurre en la caldera, se procede a disear el

intercambiador de placas y el filtro de mangas.

El diseo trmico de los equipos de transferencia de calor hace usode los principios fundamentales de la Termodinmica, de laTransferencia de calor y de la Mecnica de los Fluidos. Aqu solo sepresentan los principales resultados, de acuerdo a los Mtodos de ladiferencia media logartmica de temperaturas.

Para el precalentador, se utiliza una ecuacin de diseo deintercambiador de calor para calcular su rea:

Donde:

Q : es el calor intercambiado en el intercambiador, en este casoutilizaremos el calor cedido por el fluido caliente(igual que el ganadopor el fluido fro), kcal/h

U: coeficiente global de transmisin de calor, incluye los coeficientesde conveccin y radiacin, y los factores de ensuciamiento del lado

de los gases y del aire, siendo su valor del orden de 17-57 .Se tomar 40

A: superficie de intercambio del intercambiador F: Factor de correccin de intercambiadores de calor. Se asume un

valor de 0,9. DTLM: diferencia de temperaturas logartmica media

DTLM=

= 113,89 K

Para ambas situaciones, las temperaturas de entrada y salida delfluido caliente(gases) son 300C y 150C respectivamente. Mientrasque la temperaturas de entrada y salida del fluido fro(aire) son 30Cy 192C respectivamente.

La diferencia entre ambas situaciones reside en el calorintercambiado, que en la primera ser mayor y por tanto requerirms rea.


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Siendo:

Resultando:

Verificndose que el rea de la situacin 1 es mayor que el rea deintercambio de la situacin 2.

Buscando en el catlogo intercambiadores industriales de ms de 300 m2que puedan tratar ms de 45000 m3/h de gases de combustin, quesoporte una temperatura de entrada de gases cercana a los 300C, no sonmuy frecuentes que estn disponibles abiertamente en el mercado, suelenser encargos de la industria correspondiente.

Aun as el intercambiador "Concitherm CT-193" y el "REKULUVO" delfabricante "GEA Heat Exchangers" cumple todos nuestros requisitos.


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En cuanto al primer modelo sus dimensiones son:

Modelo Supplaca(m2)

Nmax A

(mm)

B

(mm)

C

(mm)

D

(mm)

E

(mm)

Longitud

(mm)

CT-193 1,53 600 2565 1060 1720 570 360 1450-4560

Vemos como el intercambiador puede llegar a ser de mayor 600m2y susdimensiones caractersticas A,B,C,D,E y longitud mnima y mxima son:

Foto 11. Dimensiones intercambiador 1

En cuanto al otro modelo, "REKULUVO", es ms industrial, cabe resaltar quees un intercambiador de placas perforadas, trabajan prcticamente a vaco,por lo que sus costes operacionales son muy altos y sus principalescaractersticas son:


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Por tema econmico, seleccionamos el primero ya que tanto su inversin

como sus costes de operacin son bastantes ms pequeos. El precio deadquisicin del "CT-193 del fabricante GEA" puede rondar los 10000.


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4.2 Diseo del filtro de mangas

Para el diseo del filtro de mangas, lo primero que hay que determinar es el

mtodo de limpieza del mismo. Existen varios sistemas de limpieza quepueden clasificarse en tres grandes grupos:

1. De flexin.

2. De aire inverso.

3. Por pulsos de aire a presin.

El primer grupo incluye los siguientes: por sacudidas mecnicas, poroscilacin y por ondas sonoras de baja frecuencia. Los sistemas ms usados

pertenecientes al segundo grupo son los de chorro inverso y los de flujoinverso de aire.

Los filtros con limpieza por sacudidas o por aire inverso han sidoampliamente empleados durante muchos aos y estn siempre divididos envarios compartimentos, uno de los cuales es aislado durante el proceso delimpieza mientras que los dems continan en operacin.

Los filtros con limpieza por pulsos de aire a presin son equipos mucho msrecientes (desarrollados en los ltimos 20 aos) que representan en la

actualidad casi la mitad del mercado de la filtracin de gases industrial.Operan mediante filtracin externa y consiguen la limpieza de las mangaspor efecto de pulsos de aire comprimido (a 6 7 atm) de muy cortaduracin (30-100 ms) que producen una onda de choque que flexa lasmangas y desprende el polvo depositado.

La principal ventaja de los filtros limpiados por pulsos de aire es que lalimpieza de las mangas se realiza sin parar el proceso de depuracin de gas,no siendo necesaria la compartimentacin del equipo. Por elloseleccionamos ste ltimo mtodo.

La eleccin de un tejido para una aplicacin dada dependefundamentalmente de los siguientes factores:

1) Temperatura del gas

2) Propiedades fsicas y qumicas del polvo

3) Composicin qumica del gas

4) Contenido en humedad del gas.


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5) Precio

A su vez, el tipo de tejido elegido condiciona, en gran parte, el mtodo delimpieza a utilizar. La tela seleccionada es de fibra de vidrio, ya que esrelativamente barata y cumple los requisitos anteriores, adems de que es

compatible con el mtodo de limpieza seleccionado.

El diseo de este tipo de filtro de mangas, sugiere la EPA, viene marcadopor la ecuacin:

Donde:

V: velocidad de filtracin, es la incgnita que se pretende hallar (ft/min)

A: Factor asociado al material del polvo a eliminar (Tabla 1.4)B: Factor asociado al tipo de proceso de procedencia de los humos (Tabla1.4)

T: Temperatura del gas. (F) Para temperaturas menores de 50F, se usareste valor, y para temperaturas mayores de 275F, se usar este valor.

L: Carga del polvo a la entrada (gr/ft3). Para cargas menores de 0,05 seusar L=0,05 y para cargas mayores de 100, se usar L=100.

D: Dimetro promedio de las partculas a tratar. El valor de D ser 0,8 parapartculas menores a 3 m, y de 1,2para mayores de 100 m.

De la tabla 1.4, se busca el material del polvo a filtrar, en este caso cenizasvolantes de combustin de carbn pulverizado es el que mejor se asemeja(Fly ashes) cuyo valor asociado es A=9.

De la misma tabla, como el proceso anterior es una combustin en unacaldera, el factor asociado (Product collection) B=0,9.

La temperatura de trabajo es 150C que su equivalencia a gradosFahrenheit T=302F, como es mayor que 275, se toma este ltimo valor.T= 275

La carga de polvo a la entrada mxima a tratar son 700 mg/Nm3quedebemos pasar a las unidades anglosajonas grano entre pie cbico.


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La equivalencia es L=0,146 gr/ft3.

Como el 80% de las partculas tienen un dimetro menor de 3 m, el valor

de D=0,8.

As pues, con estos valores, resulta un valor de la velocidad de filtracin deV=5,134 ft/min.

Para hallar el rea del filtro de mangas, basta con dividir el caudalvolumtrico de gases entre la velocidad de filtracin recientementecalculada.

Situacin Caudal volumtricoft3/min rea del filtro ft

2

1 27333,38 53242 25981,87 5060,75

Para no quedarse justos y ante posibles cambios de la carga, se seleccionaun filtro con 5500 ft2.

PRECIOS DE FILTRO

La inversin del filtro de mangas es la suma del coste de una serie detrminos como el equipo, la tela, equipos auxiliares, instrumentos y equiposde control, impuestos y otros conceptos.

Para hallar el precio de inversin del equipo, nos vamos a la correlacin delfiltro de mangas limpiado por pulsos de aire a presin. De la figura 1.8:

De esta ecuacin nos sale P=13,306 , por lo que la inversin sera de13306$1998. Este precio debe ser multiplicado por un factor de actualizacinque lo lleve a un precio actual.

A partir de los ndices de coste de Marshall and Swift que publica la revistade "Chemical Engineering" para el coste de equipos, y por regresin linealse obtiene el factor de actualizacin 2014. El 1998 ya viene publicado y nohace falta calcularlo:


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Ao ndice Ao ndice Ao ndice Ao ndice Ao ndice1963 100,5 1966 105,3 1969 116,6 1972 135,4 1975 194,71964 101,2 1967 107,7 1970 123,8 1973 141,8 1976 205,81965 102,1 1968 109,9 1971 130,4 1974 171,2 1977 220,9Ao ndice Ao ndice Ao ndice Ao ndice Ao ndice

1978 240,3 1983 336 1988 372,7 1993 391,3 1998 4361979 264,7 1984 344 1989 391 1994 406,9 1999 435,51980 292,6 1985 347,2 1990 392,2 1995 427,3 2000 4381981 323,9 1986 336,2 1991 396,9 1996 427,4 ------ -------1982 336,2 1987 343,9 1992 392,2 1997 433,2 ------ -------

La regresin lineal Y=a+bX, (siendo y:ndice; x:ao) da como resultado:

por lo que resulta los siguientes ndices de coste:

La inversin en 2014 del equipo ser:

Los precios de la tela viene marcada por el material de la misma, sudimetro el mtodo de limpieza del filtro y el tamao del mismo. La tela quehemos elegido es de fibra de vidrio con un dimetro de 20 cm (de 6 a 8pulgadas) As pues de la tabla 1.8:

Esta misma tabla indica que los precios en la actualidad han podido variarhasta un 10%. Para el diseo tomamos ese valor mximo quedando:

En conceptos como equipos auxiliares, instrumentacin, equipos de control,impuestos y otros, el precio total de compra del filtro puede ascender hastaun 120%


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NORMATIVA APLICADA

Como instalacin de combustin de potencia menor de 50 MW, en materia

de emisiones de la atmsfera se debe cumplir las siguientes leyes:

NORMATIVA GENERAL MEDIOAMBIENTAL

REAL DECRETO 393/2007, de 23 de marzo, por el que se aprueba

la Norma Bsica de Autoproteccin de los centros, establecimientos y

dependencias dedicados a actividades que puedan dar origen a

situaciones de emergencia.

LEY 7/2007DE GESTIN INTEGRADA DE LA CALIDAD AMBIENTAL

(GICA)

LEY 26/2007DE RESPONSABLIDAD AMBIENTAL

RD LEGISLATIVO 1/2008que aprueba el texto refundido de la ley

de Evaluacin de Impacto Ambiental en Proyectos.

DECRETO 356/2010regula la autorizacin ambiental unificada.

DECRETO 5/2012, de 17/01/2012, Se regula la autorizacin

ambiental integrada y se modifica el Decreto 356/2010, de 3 de

agosto, por el que se regula la autorizacin ambiental unificada

REAL DECRETO-LEY 17/2012, de 04/05/2012, De medidas

urgentes en materia de medio ambiente.


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Ley 11/2012 sobre medidas urgentes en materia de medio

ambiente (modificaciones varias)

Ley 21/2013,de 9 de diciembre, de evaluacin ambiental.

Ley 11/2014 que modifica la Ley 23/2007 de Responsabilidad

Ambiental

CONTAMINACIN ATMOSFRICA :

A) Comunitaria

Reglamento (CE) N 3093/1994, del Consejo de 15 de diciembre,

relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono.

Reglamento (CE) N 2037/2000 del Parlamento Europeo y delConsejo de 29 de junio de 2000 sobre las sustancias que agotan la

capa de ozono.

B) NACIONAL

LEY 34/2007de calidad del aire.

RD 100/2011 que actualiza el catalogo de actividades

potencialmente contaminadoras de la atmsfera.

RD 102/2011relativo a la mejora de la calidad del aire.


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REAL DECRETO 815/2013, de 18 de octubre, por el que se

aprueba el reglamento de emisiones industriales.

RD 117/2003 limita emisiones de Cov debido al uso de

disolventes.

Real Decreto 678/2014, de 1 de agosto, por el que se modifica

el Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de

la calidad del aire.

ORDEN DE 18 DE OCTUBRE DE1976del ministerio de industria

sobre prevencin y correccin de la contaminacin atmosfrica

industrial.

RD 1800/95 establecen nuevas normas sobre limitacin de las

emisiones a la atmsfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de grandes instalaciones de combustin.

RD 430/2004 sobre nuevas normas sobre limitacin de

emisiones a la atmsfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de grandes instalaciones de combustin... y refineras

de petrleo.

C)ANDALUCIA

Orden, de 23 de febrero de 1996, que desarrolla el Decreto

74/1996 por el que se aprueba el Reglamento de Calidad del aire,

en materia de medicin, evaluacin y valoracin.

ORDEN de 12 de febrero de 1998, por la que se establecen

lmites de emisin a la atmsfera de determinados agentes


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contaminantes procedentes de las instalaciones de combustin de

biomasa slida.

ORDEN de 22 de octubre de 2004,por la que se aprueban los

modelos de pago fraccionado a cuenta y de declaracin-liquidacin

anual del impuesto sobre emisin de gases a la atmsfera, y se

determina el lugar de pago.

ORDEN de 22 de octubre de 2004, por la que se regula la

declaracin de comienzo, modificacin y cese de las actividades

que determinen la sujecin al impuesto sobre emisin de gases a

la atmsfera.

ORDEN de 2005 q establece modelos de NOTIFICACIN anual

de emisiones de las empresas afectadas por ley 16/2002

Decreto 239/2011, de 12 de julio, por el que se regula la

calidad del medio ambiente atmosfrico y se crea el Registro deSistemas de Evaluacin de la Calidad del Aire en Andaluca.

A continuacin adjunto la orden de 12 de Febrero de 1998 en la que la

Consejera de Medio Ambiente de Andaluca establece los lmites de emisin

a la atmsfera de determinados agentes contaminantes procedentes de

instalaciones de combustin de biomasa slida, que son en los que se ha

basado este trabajo:" ORDEN de 12 de febrero de 1998, por la que se establecen lmites de

emisin a la atmsfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de las instalaciones de combustin de biomasa slida.

El Decreto 833/75, de 6 de febrero, por el que se desarrolla la Ley 38/1972,

de 22 de diciembre, de proteccin del ambiente atmosfrico, establece en

su Anexo IV los valores lmites que, con carcter general, no debern

superar las emisiones de humos, polvos, hollines, gases y vapores


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contaminantes procedentes de las principales actividades industriales

potencialmente contaminadoras, cualquiera que sea su localizacin.

El epgrafe 2 del citado Anexo IV recoge los lmites de emisin para

instalaciones de combustin industrial, pero solo con respecto a lautilizacin de carbn o fuel-ol como combustibles.

Desde hace bastantes aos, se ha venido generalizando la utilizacin de

ciertos tipos de biomasa slida como combustible. En concreto, y de gran

importancia en el caso andaluz, se ha aprovechado el orujillo, residuo slido

procedente de la extraccin del aceite del orujo de las almazaras. Este

orujillo, o bien el hueso, constituye un magnfico combustible que se est

utilizando en numerosas instalaciones de combustin en Andaluca,

fundamentalmente hornos, calderas y secaderos.

Desde una ptica puramente ambiental, hay varios aspectos positivos a

destacar. El primero de ellos consiste en que se ha realizado la valorizacin

de un residuo. El segundo consiste en que, al contrario que en el caso del

carbn y el fuel-oil, las emisiones de dixido de azufre son prcticamente

inexistentes en la combustin de biomasa slida. Como tercer aspecto

ambiental a considerar hay que citar el enorme beneficio que las nuevas

tecnologas han trado consigo, como es la prctica eliminacin de uno de

los mayores problemas de contaminacin que ha padecido Andaluca,

consistente en el vertido de ingentes cantidades de alpechn a nuestros ros.

Sin embargo, hay un aspecto negativo, ya que la concentracin de

partculas slidas en los gases de combustin s puede llegar a alcanzar

valores del mismo orden, e incluso superiores, al caso del carbn. En

efecto, la generacin de orujos procedentes de sistemas de obtencin de

aceite de oliva mediante tecnologa de dos fases, ha implicado unsignificativo incremento en el vertido de partculas a la atmsfera en las

operaciones de procesado y posterior combustin. Debe considerarse que la

mayora de las instalaciones que utilizan este combustible son de pequeo

volumen, por lo que la adopcin de ciertos sistemas de reduccin de las

emisiones de partculas no resulta econmicamente viable. Adicionalmente,

el reducido tamao de las instalaciones implica que la emisin neta

de partculas tampoco sea muy elevada.


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El propsito de la presente regulacin es el establecimiento de unos valores

lmite de emisin a la atmsfera de determinados agentes contaminantes en

la combustin de biomasa slida, teniendo en cuenta una visin integral del

problema, es decir, su repercusin global sobre los distintos medios que

puedan resultar afectados. Para ello, hay que considerar la no penalizacin,

con respecto a la combustin del carbn, de estos tipos de combustibles,

cuyas consecuencias sobre el medio hdrico, sobre la generacin de

residuos, y en gran medida sobre las emisiones de algunas sustancias a la

atmsfera, son indudablemente beneficiosas.

Por ltimo, y en lo que respecta a la Comunidad Autnoma de Andaluca, en

el ejercicio de sus competencias para dictar medidas adicionales de

proteccin del medio ambiente atmosfrico, puede establecer nuevos

niveles ms rigurosos de emisin de contaminantes para determinadas

empresas o sectores.

As lo establecen los artculos 3 y 4 del Reglamento de Calidad del Aire,

aprobado por Decreto 74/1996, de 20 de febrero. En este caso, y habida

cuenta que la presente regulacin supone una actuacin tendente a regular

niveles de emisin de actividades no especificadas en el Anexo IV del

Decreto 833/1975, el artculo 46.3 de la norma citada dispone que los

lmites de las emisiones a la atmsfera de otros contaminantes y otras

actividades no especificadas en el Anexo IV de este Decreto sern

establecidos en cada caso particular por el Ministerio competente por razn

de la actividad, previo informe de la Organizacin Sindical. En

consecuencia, tras la debida interpretacin analgica del precepto, podemos

concluir que es el Consejero de Medio Ambiente quien, mediante Orden,

puede fijar niveles de emisin del sector de empresas que llevan a cabocombustin de biomasa, los cuales no sern necesariamente ms estrictos

que los del punto 27 del ya tantas veces mencionado Decreto 833/1975.

En su virtud, esta Consejera de Medio Ambiente ha tenido a bien disponer:

Artculo 1. La presente Orden tiene como objeto establecer los valores

lmites de emisin a la atmsfera para aquellas instalaciones de combustin

que utilizan cualquier tipo de biomasa slida como combustible.


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Artculo 2. Se establecen en el Anexo de la presente Orden los lmites de

emisin de contaminantes que sern de aplicacin para aquellas

instalaciones en que se verifiquen procesos de combustin de potencia

trmica inferior a 50 Mw.

Artculo 3. En caso de que la aplicacin de los lmites especificados en el

Anexo de la presente Orden tuviesen como resultado la superacin de los

niveles mximos de inmisin aplicables, podrn proponerse niveles de

emisin ms rigurosos para aquellas actividades ubicadas en la zona

afectada o, aunque se encuentren fuera de dicha zona, sus emisiones sean

responsables o contribuyan significativamente a dichas superaciones.

Artculo 4. Cuando las condiciones econmicas y el avance tecnolgico as lo

permitan, podr proponerse que, con respecto a aquellas instalaciones que

use biomasa slida como combustible, se establezcan lmites de emisin

ms estrictos que los sealados en el Anexo.

Artculo 5. Los titulares de instalaciones que usen biomasa slida como

combustible las mantendrn en perfecto estado de conservacin y limpieza,

con objeto de minimizar las emisiones, tanto canalizadas como fugitivas, de

partculas a la atmsfera. Los dispositivos de eliminacin de partculas,

cuando existan, tendrn como finalidad principal, independientemente de

consideraciones econmicas de aprovechamiento de materia prima, la

minimizacin de las partculas vertidas a la atmsfera. A estos efectos, toda

nueva instalacin que queme biomasa slida justificar tcnicamente que

ha sido concebida teniendo en cuenta dicho aspecto".

LMITES DE EMISIN DE LAS INSTALACIONES QUE UTILIZAN BIOMASASLIDA COMO COMBUSTIBLE

Potencia trmica (Mw):

Pt

Partculas:(mg/Nm3) Monxido de Carbono

(ppmv)

0


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En el mayor de los dos supuestos, la potencia trmica de la caldera es :

Por lo que a nuestro sistema le corresponde cumplir unas emisiones ms

restrictivas que las mencionadas en la primera fila de la tabla anterior.


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CONCLUSIONES

El aplicar un filtro de mangas despus de la caldera es el sistema msefectivo para reducir la problemtica de la engente cantidad de partculasque emiten estas calderas alimentadas con orujillo, frecuentes en laindustria aceitunera, debido a sus grandes ventajas como:

- Facilidad de transporte hasta su punto de consumo, por su humedad,granulometra y densidad.

- Buena reactividad, autoignicin, estabilidad de llama y alto tiempo deresidencia para una combustin completa.

- Alto en Voltiles que favorece una llama viva y una transmisin de calorpor radiacin alta en el hogar.

As pues con este sistema de captacin de partculas reducimos en un99,9% dicha emisin quedndonos en valores de decenas de mg/Nm3muyinferiores a los 400 mg/Nm3que marca la ley, por lo que es muy flexibleante cualquier aumento de la demanda o cambio en la composicin delorujillo.

El mayor problema de este sistema es que el filtro requiere trabajar atemperaturas menores de 250C para que su funcionamiento sea ptimo,por lo que requiere una importante inversin en un equipo que reduzca latemperatura de los gases de salida de la caldera, unos 300C. Se selecciona

el intercambiador de placas por sus bajos costes de operacin y sufiabilidad para conseguir la temperatura deseada ante cambios como el decaudal de gases.

As pues, con este mtodo, se podra incrementar el porcentaje deautoconsumo de orujillo en las plantas aceituneras que disponen deextractoras que generen orujillo(en torno al 80% de las extractoras), queactualmente se encuentra en torno al 50%, y poder as aumentar elrendimiento de la planta y ser ms autosuficientes.

En la actualidad, el orujillo que no se autoconsume en la planta, la mayorase destina a las plantas de cogeneracin elctrica, mientras que el resto sesuele exportar a otros pases.

Para las plantas de cogeneracin el orujillo se transforma en combustiblegaseoso. Sin embargo, las tecnologas utilizadas para esta transformacinse encuentran actualmente en fase de I+D con el fin de reducir costes. Sutransformacin a un combustible gaseoso mediante procesos termoqumicos(gasificacin) hace que sea posible su uso en turbinas de gas, lo quepermite el uso de un ciclo combinado para la generacin de electricidad, el

cual posee un mayor rendimiento en la conversin de energa que un ciclosimple de vapor.


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