Consultation
INSTITUTES OF TECHNOLOGY
4.6 Resources for Practical Science
4.8.4 Retention
a. Exceso de aire elevado, descubierto por el bajo contenido de CO2 en el gas de los tubos
de los Generadores de Vapor
b. Alta temperatura de los gases de los tubos del Generadores de Vapor
1. Superficies de calefacción sucias
2. Mala circulación del agua. Incrustaciones del lado del agua
3. Porciones estancadas de gas. Tabiques desviadores agujerados o ineficaces
4. Velocidad de los gases muy alta D. Pérdidas debidas a la combustión incompleta
a. Alimentación de aire insuficiente
b. Capa de combustible en malas condiciones
c. Enfriamiento del hogar en las bajas intensidades de la combustión
d. Mala instalación del Generadores de Vapor E. Pérdidas de combustible que se va al cenicero
a. La parrilla o alimentador no son adecuados para la clase de combustible que se usa
b. Combustión de combustible en mayor cantidad que la que puede quemar el equipo
c. Parrillas volteadas o capas de combustible atizadas con demasiada frecuencia
d. La temperatura del hogar mayor que la temperatura de fusión de la ceniza F. Pérdidas por radiación y convección del Generadores de Vapor y su instalación
a. Tambores de la caldera sin aislar
b. Paredes de la montadura muy delgadas o de mala calidad
c. Refractarios del hogar que necesitan reparación o renovación G. Pérdidas debidas a la humedad del aire
a. Aire cargado de humedad como de un chorro de vapor
b. Exceso de aire elevado en los días de mucha humedad. Esta pérdida es pequeña y frecuentemente se incluye en otras pérdidas pequeñas, que muchas veces no se toman en cuenta, como las del hollín, o ceniza en el gas de las chimeneas, calor en las cenizas
2
22...222
DDDEEESSSCCCRRRIIIPPPCCCIIIÓÓÓNNNDDDEEELLLAAAIIIRRREEE,,,CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEEYYYGGGAAASSSEEESSS
El sistema aire-gases de un generador de vapor cubre desde el ingreso del aire hasta su salida en forma de gases de combustión en chimenea. Lo que define fuertemente durante este proceso el aprovechamiento (rendimiento) del calor del combustible. Para entender la definición de eficiencia energética, (por pérdidas separadas), se deben analizar previamente las características del aire, el combustible, los gases y los residuos de los sólidos no quemados de la combustión.
Contador de orificio
vapor Calorímetro
para vapor Manera de alimentar el carbón Gas de la combustión a mano durante las pruebas Agua
Báscula del sistema Otra manera de de conducción del colocar el punto Pares termoeléctricos Carbón
de muestreo o termómetros Abastecimiento del carbón Manómetro Muestreador de Carbón Alimentación Aparato Interruptor ORSAT
Contador Ceniza Peso Muestra de vapor de carbón Cenicero
Ducto
Figura 5. Situación de los puntos del Generador de Vapor con carbón: Requisitos mínimos para hacer una prueba a un Generador de Vapor (a un que es un Generador de Vapor usando Carbón, solamente cambiaria el suministro de combustible)
2
22...222...111 AAAIIIRRREEE
En base molar o de volumen (Tabla 2), el aire seco esta compuesto por 20.95 por ciento de Oxígeno, 78.09 por ciento de Nitrógeno, 0.93 por ciento de Argón y 0.03 por ciento de Dióxido de Carbonó, y pequeñas cantidades de Helio, Neón e Hidrógeno. En el análisis de los procesos de combustión, el Argón en el aire se trata como Nitrógeno, en tanto que los gases que existen en cantidades muy pequeñas se descartan.
Tabla 2. Composición del Aire Fracción volumétrica Peso molar Kg / kg mol Aire Nitrógeno 0.7809 28.016 21.878 Oxígeno 0.2095 32.000 6.704 Argón 0.0930 39.944 0.371 Dióxido de Carbono 0.0030 44.010 0.013
Peso molecular del aire 28.966
Peso %
Nitrógeno 79.01 Oxígeno 20.99
Por consiguiente cada mol de Oxígeno que entra a una Cámara de Combustión será acompañado por 79.01 ÷ 20.99 = 3.76 mol de Nitrógeno [Huang, 1994]. Es decir,
1 kg mol O2 + 3.76 kg mol N2 = 4.76 kg mol Aire
2
22...222...222 CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE
Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de Hidrógeno y Carbono. Reciben el nombre de combustibles Hidrocarburos y se designan por la fórmula general Cn Hm. Los combustibles
hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos ejemplos son el Carbón, la Gasolina y el Gas Natural. El principal constituyente del Carbón Mineral es el Carbón; también contiene cantidades variables de Oxígeno, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre, Humedad y Cenizas. Es difícil dar un análisis de la masa exacta del Carbón Mineral, puesto que su composición varía de un área geográfica a otra e incluso dentro de la misma región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son una mezcla de numerosos hidrocarburos y se obtienen del petróleo crudo mediante la destilación (figura 6), los hidrocarburos más volátiles se vaporizan primero, formando lo que se conoce como gasolina. Los combustibles obtenidos por destilación menos volátiles son el Queroseno, el Diesel y el Combustóleo. La composición de un combustible particular depende de la fuente del petróleo crudo, así como de la refinería.
Los hidrocarburos gaseosos se obtienen de los pozos de Gas Natural o se producen en ciertos procesos químicos. El gas natural consiste habitualmente en una mezcla de varios hidrocarburos diferentes cuyo constituyente mayoritario es el metano, CH4. La composición de los combustibles gaseosos se da
habitualmente en función de las fracciones molares. Los hidrocarburos gaseosos y líquidos se pueden sintetizar a partir de Carbón, de arenas asfálticas y de esquitos bituminosos; [Gabrieliantz, 1991].
Gasolina Petróleo Queroseno crudo Combustible diesel
Combustóleo
Figura 6. Destilación del Petróleo: La mayor parte de los combustibles hidrocarburos se obtienen del petróleo crudo por destilación
Para el estudio se tienen los datos del Gas Natural (proporcionado por la Central Termoeléctrica Valle de México).
Tabla 3.Análisis Volumétrico del Gas Natural en la CT Valle de México (directo de medición)
COMPONENTES % VOLUMEN Metano CH4 91.2056 Etano C2H6 7.9808 Propano C3H8 0.7249 n Butano C4H10 0.0460 Iso butano C4H10 0.0427 Humedad %0.0007 Densidad 0.5900
De los datos de la Tabla 3 se puede determinar el % de peso del Gas natural, a partir del análisis del % de volumen, de la siguiente forma:
∑
× = mezcla la de s moleculare pesos de molecular peso volumen peso % % (2.1)Tabla 3a.Factor de peso Molecular del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México
% VOLUMEN PESO MOLECULAR Metano CH4 91.2056 X 16.041 = 14.63 Etano C2H6 7.9808 X 30.067 = 2.39 Propano C3H8 0.7249 X 44.092 = 0.31 n Butano C4H10 0.046 X 58.118 = 0.02 Iso butano C4H10 0.0427 X 58.118 = 0.02
Σ Pesos Moleculares de la mezcla = 17.40
Tabla 3b.% de Peso del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México
Metano CH4 = 84.07 Etano C2H6 = 13.78 Propano C3H8 = 1.83 n Butano C4H10 = 0.15 Iso butano C4H10 = 0.14 Total = 100 % Peso
El poder calorífico del combustible se calcula en kJ / m3 y kJ / kg. Teniendo los valores de tablas de poderes caloríficos del ambiente∗, se tiene que los kJ / m3 y los kJ / kg, correspondientes a 20 °C y 1 Kg /cm2 de presión para el poder calorífico alto o para el poder calorífico bajo.
Habiéndose obtenido esos valores en el caso de los kJ / m3 se multiplica por el % volumen y en el caso de los kJ / kg, se multiplica por el % de peso obteniéndose parcialmente para cada elemento de la mezcla y la suma de ellos dará los poderes caloríficos altos y bajo en kJ / m3 y kJ / kg. Para encontrar el poder calorífico del combustible en kJ/m3 se hace:
Tabla 3c. Poder Calorífico Volumétrico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México
VALOR DE COMBUSTIÓN PODER CALORÍFICO COMB.
EN kJ/m3
% VALOR ALTO BAJO ALTO BAJO
Metano CH4 91.2056 37743,27 34017,3757 34423,97 31025,75 Etano C2H6 7.9808 66767,95 61141,8549 5328,616 4879,609 Propano C3H8 0.7249 96500,55 88862,4765 699,5325 644,1641 n Butano C4H10 0.0460 125562,5 115986,9557 57,75875 53,354 Iso butano C4H10 0.0427 125301,7 115688,8845 53,50382 49,39915 TOTAL 40563,38 36652,28
para encontrar el poder calorífico del combustible en kJ/kg se tiene:
Tabla 3d. Poder Calorífico Másico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México
VALOR DE
COMBUSTIÓN
PODER CALORÍFICO COMB. EN kJ/kg
% PESO ALTO BAJO ALTO BAJO
Metano CH4 84.077 55542,554 50055,520 46694,625 42081,675 Etano C2H6 13.789 51916,32 47524,832 7164,452 6558,426 Propano C3H8 1.836 50383,486 46389,744 927,056 853,571 n Butano C4H10 0.153 49562,408 45775,680 74,343 68,663 Iso butano C4H10 0.142 49443,782 45657,054 69,221 63,919 TOTAL 54929,698 49626,257
Para el cálculo de los constituyentes del combustible; el procedimiento para el por ciento en peso de los elementos se obtienen de la división del producto del por ciento en peso del compuesto por el peso molecular del elemento entre el peso molecular del compuesto.
Tabla 3e.Porcentaje de peso en base Carbón e Hidrógeno para el Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México
% PESO PESO MOLECULAR (Compuesto) % PESO (Carbón) % PESO (Hidrógeno) Metano CH4 84.077 16.041 62.949 21.133 Etano C2H6 13.789 30.067 11.016 2.773 Propano C3H8 1.836 44.092 1.500 0.335 n Butano C4H10 0.153 58.118 0.126 0.026 Iso butano C4H10 0.142 58.118 0.117 0.024 TOTAL 75.711 24.294 2 22...222...333 SSSÓÓÓLLILIIDDDOOOSSS NNNOOO QQQUUUEEEMMMAAADDDOOOSSS DDDEEELLLCCOCOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE
Los sólidos no quemados son partículas sólidas (carbón sinterizado, silicios, calcio, etc.) que no participan en la combustión, para el balance de cenizas se supone que la fracción (α) de ellas abandona al Generador de Vapor como cenizas volátiles, mientras que la fracción 1-α restante se retira como escoria, el por ciento % en peso de carbonó de los sólidos no quemados en los residuos será de:
U = αU1 + (1 - α) U2 (2.2)
donde: U1 y U2 son las fracciones de carbono de los sólidos no quemados en las cenizas volátiles y escorias, respectivamente.
La norma ASME [ASME PTC – 4.1, 1979] indica que el valor de α (cenizas volátiles) suele estar comprendido entre 0.7 y 0.9. Puede utilizarse el valor promedio de 0.8 si no se dispone de valores experimentales para este parámetro.
Los sólidos no quemados vi, expresados en kg de Carbono por kg de combustible procesado, serán de:
vi = z [U / (1 – U)] (2.3)
mientras expresados en moles de carbono los sólidos no quemados por mol de carbono, se tendrá:
vi = V / C (2.4)
teniendo en cuenta que al quemar Gas Natural (Caso Central Termoeléctrica Valle de México) estos valores se harán nulos y, no se entraran en más detalles de los mismos.
2
22...222...444 GGGAAASSSEEESSSDDDEEECCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIÓÓÓNNN
La mayor parte de los cálculos de la eficiencia energética de los Generadores de Vapor se realizan mediante este método. Se asume que toda la energía presente en el combustible se transfiere al fluido térmico salvo aquella que se pierde en los distintos conceptos. Todas las pérdidas se evalúan por unidad de masa del combustible.
Para utilizar el método indirecto (o Método de Pérdidas Separadas) es necesario calcular el peso del gas seco por kilogramo de combustible quemado entrando al precalentador de aire y el peso de aire seco suministrado por kilogramo de combustible.
Para el cálculo del peso del gas seco de combustible quemado entrando al precalentador de aire se procede de la manera siguiente: Para determinar la ecuación, supóngase que en un kilogramo de gas seco, de los pesos contenidos de Bióxido de Carbono, Monóxido de Carbono, Oxígeno y Nitrógeno son