UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA.

GENERACION DE VAPOR EN UNA CALDERA UTILIZANDO COMO COMBUSTIBLE CARBON VEGETAL (COMPOSICION VARIABLE)

INTEGRANTES: AGUIRRE CHAVARRIA, CARLA MARIA. ESCOTO SOLIS, ROCIO ESMERALDA. GONZALEZ GUIDOS, ENRIQUE OCTAVIO. PORTILLO CASTRO, RAMON ERNESTO.

CATEDRATICO: ING. SARA ELIZABETH ORELLANA CLAROS

CIUDAD UNIVERSITARIA 26 DE JULIO DE 2011|1

INDICE. PAG.

INTRODUCCION.

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OBJETIVOS

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EL CARBON VEGETAL BALANCE DE LA COMBUSTION DEL CARBON LAS CALDERAS INDUSTRIALES

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FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA EJERCICIO TIPO

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FLUJOGRAMA DEL PROBLEMA RESOLUCION DEL EJERCICIO GUIA

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CONCLUSIONES RECOMENDACIONES

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BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCIN

El objetivo de las calderas de vapor es la transformacin del agua, a temperatura y presin ambientes, en vapor de agua a una presin y temperatura mayor, partiendo de la energa del combustible utilizado. Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vapori zan el agua para aplicaciones en la industria. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin cre una pequea caldera llamada "marmita". Se us vapor para intentar mover la primera mquina homnima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor hmedo (de baja temperatura) Su potencia o tamao abarca un espectro muy amplio: de sde las calderas de poca potencia utilizadas en la pequea empresa, hasta las utilizadas por las grandes plantas generadoras de energa elctrica. Las calderas forman parte de los equipos utilizados por la industria y junto con los hornos industriales, son los responsables del mayor porcentaje de consumo de combustible en este sector; por lo tanto, el mantenerlas trabajando con una buena eficiencia redita beneficios importantes para las empresas .

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OBJETIVOS DE UNA CALDERA.

La mayor parte de las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es: *Generar agua caliente para calefaccin y uso general, o *Generar vapor para planta de fuerza, procesos industriales o calefaccin.

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Carbn vegetal El carbn vegetal es un material combustible slido, frgil y poroso con un alto contenido en carbono (del orden del 80%). Se produce por calentamiento de residuos vegetales, hasta temperaturas que oscilan entre 400 y 700 C, en ausencia de aire. El poder calorfico del carbn vegetal oscila entre 29.000 y 35.000 kJ/kg, y es muy superior al de la madera, que oscila entre 12.000 y 21.000 kJ/kg. Hace un siglo, en zonas rurales era comn ver la figura del carbonero, oficio ahora en vas de extincin, cuyo trabajo consista en cubrir totalmente enormes pilas de lea con musgo y ramas tiernas. Luego prenda la lea (parte inferior), y dejaba que se quemara durante das. Luego, suba hasta la cima de la pila y pisaba. Cuando la capa estaba estable y no temblaba, seal de que todo estaba secado y endurecido, abra la pila y obtena el apreciado combustible. Pero muchos murieron al caer la pila, todava sin endurecer, lo cual converta la profesin en un oficio arriesgado. Su trabajo se divida en dos tareas: la tala de la madera y su transporte hacia la zona de carboneo, y el montaje de las pilas y el control del proceso de carbonizacin. El sueldo se reparta equitativamente entre estas dos tareas realizadas. Segn su procedencia tena diversos nombres: carbn de encina , cisco de roble, picn, ..., cada uno de los cuales tena una aplicacin caracterstica. Uno de los lugares con tradicin histrica en su elaboracin es Santa Cruz de Yanguas, un pequeo pueblo al Norte de Soria, Espaa. Usos El carbn vegetal es quizs el primer material de carbn utilizado por el hombre y su uso data probablemente desde el mismo momento en que se comienza a utilizar el fuego; dado que los trozos de madera carbonizada que quedaran en algunas hogueras pueden considerarse un carbn vegeta l rudimentario. De hecho, existen pruebas de que en muchas pinturas rupestres de hace ms de 15.000 aos el carbn vegetal se utilizaba para marcar el contorno de las figuras, adems de usarse como pigmento de color negro cuando se mezclaba con grasa, sangre o cola de pescado. El carbn vegetal se usa mayoritariamente como combustible, no solo de uso domstico sino tambin industrial, especialmente en los pases en vas de desarrollo. La produccin de carbn vegetal tiene un importante impacto ambiental que es necesario disminuir. Forja del hierro Otro uso fundamental del carbn vegetal en la historia de la humanidad es su empleo en la metalurgia. La metalurgia el hierro, comenzada ya unos 1.200 aos a.C. y que se desarrolla en Europa durante la edad del h ierro (700 a. C. hasta el 68 d. C.), no hubiese sido posible sin el carbn vegetal ya que las|5

elevadas temperaturas que se requieren para fundir los minerales no pueden alcanzarse utilizando simplemente madera o los combustibles de la edad del hierro. Adems, el carbono que contiene el carbn vegetal acta como reductor de los xidos del metal que forman los minerales y con la tcnica apropiada parte de este carbono puede alearse con el hierro para dar lugar al acero, mucho ms duro que el hierro, lo cual fue fundamental en el desarrollo de armas y herramientas ms resistentes. Era el combustible utilizado en la llamada forja catalana, para la produccin de acero. El uso del carbn vegetal en metalurgia ha perdurado hasta nuestros das, aunque otros combustibles como el coque metalrgico lo han reemplazado casi por completo, en la actualidad y especialmente en pases con abundantes recursos forestales y economas en desarrollo existe un resurgimiento del uso del carbn vegetal en metalurgia, dado que adems su uso representa, al menos en principio, un menor impacto ambiental que el del coque metalrgico. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro -carbono, tanto en estado ligado (Fe3C, cementita), como en estado libre (C). De una forma genrica, al aumentar el porcentaje en carbono, las aleaciones Fe -C aumentan su dureza y rigidez y pierden ductilidad. Se considera que una aleacin de hierro es un acero si contiene menos de un 2 % de carbono, si el porcentaje es mayor recibe el nombre de fundicin.Otras aplicaciones Otra de las aplicaciones del carbn vegetal es la fabricacin de plvora. La plvora negra se compone de un 75% de salitre (nitrato de potasio), un 12% de azufre y un 13% de carbn vegetal. Estos ingredientes al quemarse producen un gas que tiende a ocupar un volumen 400 veces mayor que la mezcla original, produciendo una fuerte presin en las paredes del recipiente que los contiene. Dado que el carbn vegetal es un material poroso, otra de sus aplicaciones es su uso como absorbente. As, se sabe que la madera carbonizada se usaba como absorbente mdico en el antiguo Egipto y que en el ao 400 a. C. Hipcrates recomendaba filtrar con carbn el agua para beber. El carbn vegetal no posee una textura porosa tan desarrollada como la de los c arbones activados. No obstante, resulta ms simple y barato de producir, por lo que a pesar de ser un absorbente relativamente mediocre, si se compara con los carbones activados, se utiliza en determinadas aplicaciones que no requieren de una gran capacidad de absorcin. Tambin se usa para absorber molculas de un tamao relativamente grande (como los colorantes), dado que la mayora de la porosidad de los carbones vegetales est dentro del campo de los macroporos (anchura del poro > 50 nm). Una aplicacin relativamente importante es la clarificacin de bebidas alcohlicas como el vino, cerveza, whisky, etc.

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Cmo la madera se transforma en carbn vegetal La fase de la carbonizacin puede ser decisiva en la fabricacin de carbn vegetal, si bien no se trat a de la ms costosa. A menos que se complete lo ms eficientemente posible, puede crear un riesgo para la operacin global de la produccin de carbn, puesto que los bajos rendimientos en la carbonzacin repercuten a lo largo de toda la cadena de producci n, en la forma de mayores costos y desperdicios de los recursos. La madera consiste de tres componentes principales: celulosa, lignina y agua. La celulosa, la lignina y algunas otras materias estn fuertemente ligadas entre s y constituyen el material d enominado madera. El agua es absorbida o retenida como Molculas de agua en la estructura celulosa/lignina. La madera secada al aire o "estacionada" contiene todava 12 -18% de agua absorbida. La madera en crecimiento, recientemente cortada o "no estacionad a", contiene adems agua lquida, llevando el contenido total de agua a alrededor del 40 100%, expresado en porcentaje del peso de la madera seca al horno. Antes de que la carbonizacin ocurra, el agua en la madera tiene que ser totalmente eliminada como vapor. Se necesita una gran cantidad de energa para evaporar el agua, por lo que, si se usa lo ms posible al sol para el pre secado de la madera antes de la carbonizacin, se mejora mucho la eficiencia. El agua que queda en la madera que tiene que ser ca rbonizada, deber ser evaporada o en la fosa o en el horno, y esta energa deber proporcionarse quemando parte de la misma madera, que podra ser en vez transformada en carbn vegetal aprovechable. El primer paso, en la carbonizacin en el horno, es seca r la madera a 100 C, o menos, hasta un contenido cero de humedad se aumentan luego la temperatura de la madera secada al horno a alrededor de 280C. La energa para estas etapas viene de la combustin parcial de parte de la madera cargada en el horno o en la fosa, y es una reaccin que absorbe energa o endotrmica. Cuando la madera est seca y calentada a alrededor de 280C, comienza espontneamente a fraccionarse, produciendo carbn ms vapor de agua, maanas, cido actico y compuestos qumicos ms complejos, fundamentalmente en la forma de alquitranes y gases no condensables, que consisten principalmente en hidrgeno, monxido y bixido de carbono. Se deja entrar aire en el horno o fosa de carbonizacin para que parte de la madera se queme, y el nitrgeno de este aire estar tambin presente en el gas. El oxgeno del aire ser gastado en la quema de parte de la madera, arriba de la temperatura de 280C. Libera energa, por lo que se dice que esta reaccin es exotrmica. Este proceso de fraccionamiento espontneo o carbonizacin, contina hasta que queda slo el residuo carbonizado llamado carbn vegetal. A menos que se proporcione ms calor externo, el proceso se detiene y la temperatura alcanza un mximo de aproximadamente 400C. Sin embargo, este carb n contiene todava apreciables cantidades de residuos alquitranosos, junto con|7

las cenizas de la madera original. El contenido de cenizas en el carbn es de alrededor del 30% en peso, y el balance es carbono fijo, alrededor del 67 -70%. Un ulterior calentamiento aumenta el contenido de carbono fijo, eliminando y descomponiendo an ms los alquitranes. Una temperatura de 500C da un contenido tpico de carbono fijo de alrededor del 85% y un contenido de materia voltil de cerca del 10%. A esta temperatura, e l rendimiento del carbn es de aproximadamente el 33% del peso de la madera secada al horno carbonizada, sin contar la madera que ha sido quemada para carbonizar la remanente. Por lo tanto, el rendimiento terico del carbn vegetal vara con la temperatura de carbonizacin, debido al cambio de contenido de material voltil alquitranado (24, 26, 31). En el Cuadro 4 se muestra el efecto de la temperatura final de carbonizacin sobre el rendimiento y composicin del carbn vegetal. Cuadro 1. Efecto de la temperatura de carbonizaci6n sobre rendimientos y composicin del carbn vegetal

Bajas temperaturas de carbonizacion dan un mayor rendimiento en carbn vegetal, pero que es de baja calidad, que es corrosivo, por contener alquitranes cidos, y que no quema con una llama limpia sin humo. Un buen carbn vegetal comercial debera contener carbono fijo en alrededor del 75% p ara lo cual se requiere una temperatura final de carbonizaci6n de alrededor de 500C. El rendimiento del carbn muestra tambin cierta variacin con respecto al tipo de madera. Hay cierta evidencia de que el contenido de lignina en la madera tiene un efecto positivo sobre el rendimiento del carbn; un alto contenido de lignina da un elevado rendimiento de carbn vegetal. Una madera densa tiende tambin a dar un carbn denso y fuerte, la que es tambin deseable. Sin embargo, madera muy densa produce a veces carbn friable puesto que la madera tiende a desmenuzarse durante la carbonizaci6n. La friabilidad del carbn aumenta con el aumento de la temperatura de carbonizaci6n y el contenido de carbono fijo aumenta mientras que el contenido de substancias voltiles decrece. Una temperatura de 450 - 500C ofrece un equilibrio ptimo entre friabilidad y el deseo de un elevado contenido de carbono fijo.

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Contenido de humedad

El carbn fresco, apenas abierto el horno, contiene muy poca humedad, generalmente menos del 1%. La absorcin de humedad del aire mismo es rpida, y gana con el tiempo humedad que, aun sin mojarse con la lluvia, puede llegar a un contenido del 5 al 10%, aun para el carbn vegetal bien quemado. Cuando no se ha quemado correctamente el carbn o c uando los cidos piroleosos y alquitranes solubles han sido retomados por el carbn vegetal a causa de la lluvia, como puede suceder en la quema en fosas o parvas aumenta la higroscopicidad del carbn y su contenido de humedad natural o en equilibrio pued e subir al 15% o ms La humedad es un adulterante que baja el valor calorfico o de calefaccin del carbn vegetal. cuando el carbn se vende por peso, comerciantes deshonestos mantienen a menudo un elevado contenido de humedad, mojndolo con agua. El agregado de agua no cambia el volumen ni la apariencia del carbn vegetal. Por esta razn, los que compran el carbn al granel prefieren comprar o por el volumen en bruto, p.ej. en metros cbicos, o por peso, pero determinando su contenido de humedad por medi o de ensayos de laboratorios y, ajustar en proporcin el precio. En los pequeos mercados se vende a menudo por pieza. Es virtualmente imposible evitar que el carbn vegetal se moje algo, con la lluvia, durante el transporte al mercado, pero el almacenami ento del carbn bajo techo es una buena prctica, an si se ha adquirido por volumen, puesto que el agua contenida tiene que evaporar en la combustin y representa una prdida directa de poder calorfico. Esto sucede porque el agua en forma de vapor pasa en el flujo y raramente se condensa liberando su calor contenido, sobre el objeto que se est calentando en el horno. Las especificaciones de calidad limitan generalmente el contenido de humedad a alrededor del 5 -15% del peso bruto del carbn vegetal. El c ontenido de humedad se determina secando al horno una muestra de carbn, y se expresa en por ciento del peso inicial hmedo. Es evidente que el carbn vegetal con un elevado contenido de humedad (10% 0 ms) tiende a desmenuzarse y produce carbonilla fina cuando se calienta en las fundiciones, lo que no es deseable en la produccin de hierro.Materia voltil diversa del agua

La materia voltil diversa del agua en el carbn vegetal comprende todos esos residuos lquidos y alquitranosos que no fueron elimi nados completamente durante el proceso de carbonizaci6n. Cuando la carbonizaci6n es prolongada y a alta temperatura, el contenido de voltiles es entonces bajo. Cuando la temperatura de carbonizaci6n es baja y el perodo en el horno es breve, entonces el contenido de substancia voltil aumenta.

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Estos efectos se reflejan sobre el rendimiento en carbn vegetal obtenido a partir de un determinado peso de madera. A bajas temperaturas (300C) es posible un rendimiento en carbn de casi el 50%, Con temperaturas de carbonizaci6n de 500-600C los voltiles son escasos y son tpicos los rendimientos del 30% en la carbonera. Con temperaturas muy altas (alrededor de 1.000C) el contenido voltil es casi cero y el rendimiento cae a alrededor del 2%. Como se ha dicho anteriormente, el carbn vegetal puede reabsorber los alquitranes y los cidos pirolenosos con el lavado de la lluvia en los mtodos de quema en fosa o similares. Por ello, el carbn vegetal puede ser bien quemado pero, por este motivo, tener un elevado cont enido de substancia voltil. Se produce as una variacin adicional en el carbn quemado en fosas, en climas hmedos. Los cidos reabsorbidos hacen que el carbn se vuelva corrosivo, provocando la podredumbre de las bolsas de yute, lo que es un problema durante el transporte; y adems, no tiene una combustin limpia. La substancia voltil en el carbn vegetal puede variar desde un tope del 40%, o ms, hasta un 5%,o menos. Su medicin se hace calentando una muestra, por peso de carbn seco y lejos del aire, a 900 o hasta un peso constante. La prdida de peso es la substancia voltil, que se especifica, por lo general, como libre de contenido de humedad, o sea, substancia voltil - humedad (SV humedad). El carbn vegetal con mucha materia voltil se encie nde fcilmente pero al quemar produce humo. El carbn de pocos voltiles tiene dificultades al encenderse y su combustin es muy limpia. Un buen carbn vegetal comercial puede tener un contenido de substancia voltil neta (libre de humedad) del 30% aproximadamente. El carbn con mucha substancia voltil es menos quebradizo que el carbn comn de fuerte combustin con poco voltil# por lo que produce menos carbonilla fina durante el transporte y los manipuleos. Es tambin ms higroscpico y tiene por lo tant o un mayor contenido de humedad natural.Contenido de carbono fijo

El contenido de carbono fijo en el carbn vegetal vara desde un mnimo del 50% hasta uno elevado del 95%, en cuyo cano el carbn vegetal consiste principalmente en carbono. El contenid o de carbono se estima normalmente como una "diferencia", o sea, todos los otros componentes se deducen de cien como porcentajes y se supone que lo que queda es el % de car bono "puro" o "fijo",. El contenido de carbono fijo es el componente ms important e en metalurgia, puesto que el carbono fijo es el responsable de la reduccin de los xidos de hierro en el hierro fundido durante su produccin. Pero el usuario industrial, para obtener una operacin ptima de fundicin, debe encontrar un balance entre el carcter quebradizo de un carbn vegetal con elevado contenido de carbono fijo y la mayor fuerza de un carbn vegetal con un contenido inferior en carbono fijo, y superior en materia voltil.|10

Contenido de cenizas

Las cenizas se determinan calentando una muestra, por peso, hasta el color rojo con acceso de aire para quemar completamente toda la substancia combustible, quedando un residuo denominado ceniza. Se trata de substancias minerales, como la arcilla, slice y xidos de calcio y de magnesio, etc., presentes en la madera original y recogida, como contaminaciones del suelo, durante el proceso. El contenido de cenizas en el carbn vegetal vara desde alrededor del 0,5% a ms del 5%, dependiendo de la especie de madera, la cantidad de corteza includa con la madera en el horno y la cantidad de contaminacin con tierra y arena. Tpicamente, un pedazo de buen carbn vegetal tiene un contenido de cenizas de alrededor del 3%. La carbonilla fina puede tener un elevado contenido de cenizas, pero si se elimina por tamizado el material menor de 4 mm, el remanente superior a 4 mm puede tener un contenido de cenizas de alrededor del 5-10%.Los compradores sospechan naturalmente de la carbonilla, que resulta difcil de vender (y, desgraciadamente, de usar).Anlisis tpico del carbn vegetal Para ilustrar la amplitud de composiciones que se encuentran en carbones vegetales comerciales, el cuadro 7 da un elenco de composiciones para muestras al azar de varias clases de madera y varias clases de mtodos de carbonizaci6n. Por lo general, todas las maderas y todos los mtodos de carbonizaci6n pueden producir carbones vegetales que entran dentro de los lmites comerciales. El cuadro 8 registra las variaciones en la composicin de l carbn vegetal, halladas en el horno de fundacin de una gran planta siderrgica con carbn vegetal de Minas Gerais, Brasil. Todo este carbn haba sido fabricado empleando hornos de ladrillo del tipo colmena. La madera empleada era, o de especies mixtas del bosque natural de la re - o de eucalipto plantado. Cuadro 2. Algunos anlisis tpicos de carbn vegetal

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Eficiencia de combustin del carbn vegetal

Aun con un carbn vegetal de buena calidad su quema deber ser eficiente para obtener sur mejores resultados. Este es especialmente vlido en el uso domstico, donde se quema la mayor cantidad de carbn vegetal. Los hornos industriales para quemar el Carbn vegetal, tales como los altos hornos, cpulas, hornos de precipitacin etc., son por lo general d iseados y hechos funcionar con eficiencia; no sern discutidos aqu. El empleo principal del carbn vegetal, en los hogares del mundo en va de desarrollo, es para calentar agua, sea para cocinar la comida, sea para tener agua caliente para lavado etc. Algunas comidas se cocinan directamente sobre el fuego sin sumergir en el agua, como para tostar el maz o asar la carne. Un mtodo de cocido sera 100% eficiente si todo el calor, liberado al quemar el combustible, fuese tomado por el alimento que se cocina., lo que est lejos de suceder en la prctica. Un resultado tpico, para equipos bien diseados y hechos funcionar bien, es el de una eficiencia de alrededor del 30%, significando que el 70% del calor se pierde intilmente. En un clima fro, puede captura rse parte de este calor desperdiciado y usarse para calentar el ambiente del cuarto, cumpliendo por lo tanto una funcin til que hace aumentar la eficiencia global.Cmo quema el carbn vegetal? El carbn vegetal reacciona con el oxgeno del aire en un calor rojo esplendente, formando el gas incoloro de monxido de carbono, que luego quema con una llama azul con ms oxgeno del aire para producir gas de dixido de carbono. Debido al calor liberado por ambas reacciones, el carbn vegetal alcanza un rojo esplendente e irradia energa calorfica, y el gas caliente o bixido de carbono deja la zona de combustin, liberando, con buena suerte por conveccin, la mayor parte de su calor por contacto fsico directo con la vasija de cocinar. La temperatura del gas decae a medida que transfiere el calor y se dispersa en el cuarto. Con el carbn vegetal generalmente no se usan conductos, puesto que su combustin es relativamente inodora y sin humos, si se la compara con la de la madera o del carbn mineral. Quemando carbn vegetal, puede liberarse gas no quemado de monxido de carbono, que es muy venenoso por lo que es esencial ventilar los cuartos donde se tiene carbn vegetal encendido. El hecho que el carbn vegetal puede quemar en una hornalla compacta y porttil, sin la necesidad de un conducto, es uno de sus atributos ms importantes y explica su amplia popularidad, especialmente en las ciudades y reas construidas. A-Cm cuando, en trminos globales de energa, es ms eficiente para un pas tratar de usar la mad era misma con eficiente combustin para cocinar, en lugar de convertirla antes en carbn vegetal, sera una poltica de difcil aplicacin, ya que la mayora de la gente que en la actualidad quema carbn vegetal, difcilmente lo cambiara por madera. Un ho rnillo con chimenea|12

que consume madera es caro. El horno mismo puede ser de tierra apisonada y no costar nada, pero un tubo de metal puede costar $ US 10 o ms. Para los que viven en viviendas urbanas congestionadas, podra ser imposible instalar chimeneas, y en estos casos se imponen las caractersticas del carbn vegetal de ser un combustible no contaminante.

1. Olla redonda para cocinar 2. Canales en el cuerpo de la hornalla para el flujo de los gases 3. Carcasa de acero reciclado 4. Bandeja para cenizas de acero reciclado 5. Grilla o reja perforada de acero reciclado 6. Cuerpo de la hornalla de cermica blanca quemada o mezcla de arcilla-arena-carbonilla Fina 7. Carbn vegetal combustible.

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Balance de la combustin del carbn En un carbn, como sabemos, rara vez se conoce su composicin qumica exacta; pero es posible conocer su composicin en contenido de C, H2O, H, O y cenizas. El balance de la combustin de un carbn se hace bsicamente igual que el de cualquier c ombustible.

Se calcula el aire mnimo, oxgeno mnimo, gases de combustin, etc. de igual forma que para un combustible general. Se deben calcular los porcentajes libres de cenizas y agua, porque el contenido en cenizas del carbn es bastante importante. Por ello, si queremos decir el peso total de los gases de combustin habr que decir el combustible empleado, el aire real y las cenizas. Las cenizas no se obtienen en la combustin. Los porcentajes se dan en masa.Las Calderas Industriales

Se emplea principalmente para proporcionar energa en forma de vapor, sin embargo, existe un amplio nmero de aplicaciones en las que la formacin de vapor es incidental para un proceso qumico; por ejemplo la unidad de recuperacin qumica en la industria papelera , un calentador de monxido de carbono en una refinera de petrleo o una caldera de calor residual para gas de enfriamiento en un horno de hogar abierto. En una planta industrial no es extrao que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperacin qumica se emplea para convertir el licor negro en sustancias qumicas tiles y de esta manera generar vapor para el proceso. En la misma planta una unidad de combustin de corteza recupera calor del material de desperdicio y genera tambin energa. Las calderas industriales queman petrleo, gas, carbn y una amplia variedad de productos y/ subproductos. Las estadsticas actuales muestran que la combustin del carbn pulverizado es la seleccin ms apropiada para calderas grandes, cuya capacidad es|14

superior a 113398 kg/h. Para calderas de capacidad media, es decir, de 45359 a 113398 kg/h la seleccin dominante es respecto a las alimentadas mecnicamente, aunque se est incrementando el empleo de calderas que queman carbn pulverizado, ya que su mayor eficiencia trmica las hace atractivas en el lmite superior del intervalo de capacidad media. El factor ms importante que debe considerarse cuando se comparan las calderas alimentadas mecnicamente por fogonero y las que queman carbn pulverizado es la reduccin de la eficiencia debido a la perdida de carbono. Una caldera de carbn pulverizado bien diseada puede mantener una prdida de eficiencia debido a que el carbono n o quemado es menor a 0.4%. En una unidad de combustin alimentada mecnicamente por un alimentador distribuidor donde existe una continua descarga de cenizas, la perdida de carbono usual ser de 4 a 8%, dependiendo de la cantidad de reinyeccin que se logra.Calderas de Vapor

Una caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera que est diseado para generar vapor saturado. ste vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia de estado.Clasificacin de las calderas

Los generadores de vapor se clasifican segn diferentes criterios, segn: la disposicin de los fluidos, la configuracin, el tipo de combustible que consumen, el tipo de tiro, el modo de gobernar la operacin y el nmero de pasos.Por disposicin de los fluidos:

En las calderas Acuotubulares el agua circula por dentro de los tubos y los gases que transfieren la energa al agua se encuentran circundando los tubos. Son de bajo costo, simplicidad de diseo, exigen menor calidad del agua de alimentacin, son pequeas y eficientes, pero necesitan mayor tiempo para responder a cadas de presin o para entrar en funcionamiento, no trabajan a presiones superiores a 300 psig. De acuerdo con la pr esin se pueden subdividir en calderas de baja presin (0 -300 psig), media presin (300-900 psig) y alta presin (900-2200 psig). En las calderas Pirotubulares los gases circulan por dentro de los tubos y transfieren su energa al agua que circunda los tu bos. Pueden ser puestas en marcha rpidamente, operan a presiones mayores a 300 psi, pero son de mayor tamao, peso y costo, adems deben ser alimentadas con agua de gran

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pureza. De acuerdo con la presin se pueden subdividir en calderas de baja presin (0-60 psig), media presin (60 -150 psig) y alta presin (150 -300 psig).Por su configuracin:

De acuerdo con la forma en que estn dispuestas se clasifican en Verticales y Horizontales. Generalmente las calderas verticales presentan eficiencias menores a las de configuracin vertical, debido a que la temperatura de los gases es alta. Por el tipo de combustible De acuerdo con el tipo de combustible las calderas se clasifican en: las que utilizan combustibles slidos, como carbn, bagazo o material vegetal. Estas son complejas de operar por la forma de alimentar el carbn, generan cenizas y suciedad y son de difcil control de la combustin. Su principal ventaja es que los combustibles son de bajo precio o en algunos casos gratis, por tratarse de subproductos de un proceso como por ejemplo el bagazo de caa de azcar en la industria azucarera. Las de combustible lquido utilizan crudos livianos o pesados que deben ser atomizados para facilitar la mezcla con el aire al momento de darse la combustin. Algunos deben ser precalentados para mantener el punto de fluidez y permitir que sean trasegables, es decir, que el combustible pueda ser bombeado del lugar de almacenamiento al quemador. Las calderas de combustible gaseoso como gas natural son de fcil control de combustin y requieren menos frecuencia de mantenimiento, pero generalmente son ms costosas de operar por el costo del combustible, adems requieren mayores cuidados por tratarse de combustibles bastante explosivos. Su transporte se realiza por la propia presin del sistema lo que evita la presencia de piezas o elementos en movimiento.Por el Tiro

De acuerdo con la forma como ingresa el aire de combustin y la salida de los gases a las calderas se clasifican en las de tiro natural, en las que la entra da y salida del aire de combustin y los gases no son asistidas por ventiladores, sino que el flujo de ellos se da por circulacin natural debido a la diferencia de densidad de estos fluidos. Las presurizadas, son aquellas que tienen un ventilador de tiro forzado para inyectar el aire de combustin al hogar, pero los gases producto de la combustin salen por la presin generada en el hogar. Las de tiro equilibrado son aquellas que tienen un ventilador de tiro forzado que inyecta aire de combustin y un ventilador de tiro inducido que extrae los gases de combustin de la cmara, manteniendo la presin del hogar ligeramente negativa (presin de succin)|16

Componentes bsicos

Los sistemas de vapor estn compuestos bsicamente por tres subsistemas: La generacin de vapor; compuesto por la caldera, la distribucin; compuesta por tuberas para transportar el vapor del lugar de produccin hacia los usuarios y el condensado desde los procesos hacia la caldera y finalmente los consumidores finales, generalmente equipos o procesos donde se requiere la energa transportada por el vapor.Sistema de generacin

El vapor necesario para los procesos de produccin se genera en la caldera, considerada como el elemento fundamental de este servicio. La caldera est conformada por una serie de elementos que desempean funciones de control o seguridad.Bomba de Alimentacin de agua

Equipo utilizado para transformar energa mecnica en energa cintica, generando presin y velocidad al agua que ingresar a la caldera. Generalmente el agua es bombeada desde el tanque de recuperacin de condensado o desde un tanque que contiene el agua de alimentacin a temperatura ambiente hasta la caldera. Estas bombas pueden operar continuamente mediante un sistema de control modulado o pueden ope rar con un sistema on-off (prendido-apagado).Sistema de alimentacin de combustible

De acuerdo con el tipo de combustible que utilice la caldera el sistema de alimentacin de combustible ser diferente. Para el caso de calderas que consumen gas natural (Ver figura a), la alimentacin estar conformada por una red de tuberas y vlvulas que regulan caudal y presin de combustible. Cuando se trata de calderas que consumen combustibles lquidos (Ver figura b) el sistema de alimentacin estar conformado por un tanque de almacenamiento, redes de tuberas con vlvulas y acoples, bomba de alimentacin de combustible y sistema de precalentamiento para combustibles de alta densidad. Aquellas calderas que operan con combustibles slidos (Ver figura c) poseen generalmente un depsito de combustible y un sistema de bandas transportadoras y elevadores de cangilones que llevan desde el depsito hacia el hogar de la caldera.

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Tanque flash o de condensado

Se utiliza para colectar el condensado que retorna de los equipos o procesos que consumen vapor indirecto, y para ingresar el agua que debe reponerse al sistema. En algunas aplicaciones este tanque sirve para adicionar sustancias qumicas que regulan la calidad del agua que ingresa a la caldera. Desde este tanque se puede alimentar directamente a la caldera o se puede llevar el agua al tanque desaireador en cada que el sistema de vapor lo requiera.Tanque de acumulacin (Buffer)

Utilizado para acumular vapor a la salida de la caldera, su principal funcin es aumentar la capacidad o la disponibilidad de vapor en los procesos donde la demanda es variable, permitiendo que no disminuya la presin del sistema. Existen otros elementos fundamentales para el corre cto funcionamiento del sistema de generacin de vapor tales como accesorios de medicin para control de las condiciones de operacin de la caldera como manmetros, termmetros, indicadores del nivel de agua, medidores de caudal para vapor, aparatos de alarma, etc.Distribucin de vapor

Posterior a la generacin del vapor en la caldera es necesario un medio para llevar la energa del vapor hacia los procesos que lo requieren. Este medio es la red de distribucin de vapor y retorno de condensado, las que a su vez estn conformadas por una serie de elementos. Lneas o redes generalmente de acero cuya funcin es llevar el vapor desde la caldera hacia los equipos consumidores. Deben ser seleccionadas de acuerdo al flujo y presin que circula por ellas. Una mal a seleccin ocasionar perdidas de energa y daos en vlvulas, trampas de vapor o equipos consumidores. La velocidad media del vapor y el condesado no debe sobrepasar 50 m/s y 5 m/s, respectivamente.Trampas de Vapor

Se utilizan para desalojar condensad o de las lneas de distribucin o a la salida de los intercambiadores de un equipo consumidor. Estas abren en presencia de condensado y cierran en presencia de vapor. Garantizan el buen funcionamiento de tuberas y elementos de la red y contribuyen al uso eficiente de la energa. Se pueden clasificar segn su ubicacin en el sistema de vapor o segn su forma de operacin.

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Por su ubicacin * Trampas en la red. Ubicadas en la red de distribucin de vapor en lugares donde se produce fcilmente el condensado, por ejemplo depsitos o bolsillos y tramos de tubera con reducciones, tambin suelen ubicarse trampas al menos cada 30 metros ya que el vapor que circula pierde energa con el ambiente y puede condensarse. Estas trampas protegen los diferentes elem entos de la red contra el efecto martillo (waterhammer), producido por el choque del condensado a alta velocidad. * Trampas de proceso. El vapor que ingresa al equipo o proceso demandante de energa cede su calor latente transformndose en condensado. Este debe ser desalojado para evitar prdidas de calor e inundacin del serpentn o intercambiador de calor. Para ello se ubican trampas de vapor a la salida del equipo de intercambio de calor. * Trampas de circuito de calentamiento. Algunas redes de transporte y distribucin de lquidos requieren el calentamiento continuo del fluido para mantener bajos niveles de viscosidad haciendo posible el bombeo. Para mantener estas temperaturas se ubican serpentines con circulacin de vapor arrollados a la tubera o red de bombeo, el que se transforma en condensado al ceder su energa y posteriormente ser desalojado del sistema mediante la instalaci n de trampas. Por su Operacin * Mecnicas Las trampas mecnicas trabajan con el principio de diferencia entre la densidad del vapor y la del condensado. Por ejemplo, un flotador que asciende a medida que el nivel del condensado se incrementa, abrien do una vlvula, pero que en presencia del vapor la mantiene cerrada o una trampa de balde invertido que en presencia de vapor asciende por la fuerza ejercida por el vapor cerrando la vlvula y abre cuando se encuentra con presencia de condensado. * Termostticas Las trampas termostticas operan por la percepcin de la temperatura del condensado. Cuando la temperatura cae a un especfico valor por debajo de la temperatura del vapor, la trampa termosttica abrir para liberar el condensado, entre ellas se encuentran las bimetlicas que opera por la diferencia de coeficiente de expansin trmica entre varillas que se encuentran unidas, y que empujan un vstago segn la temperatura que sensan. * Termodinmicas Las trampas Termodinmicas operan con la diferencia entre el flujo del vapor sobre una superficie, comparada con el flujo del condensado sobre la misma superficie. El vapor o el gas fluyendo sobre la superficie crean un rea de baja presin. Este fenmeno es empleado para mover la vlvula hacia el asiento y as cerrar su paso.

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FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA.

Las calderas deben poseer una serie de accesorios que permitan su utilizacin en forma segura, los que son:y

Accesorios de observacin: dos indicadores de nivel de agua y uno o ms manmetros. En el caso de los manmetros estos debern indicar con una lnea roja indeleble la presin mxima de la caldera. Accesorios de seguridad: vlvula de seguridad, sistema de alarma, sellos o puertas de alivio de sobre presin en el hogar y tapn fusible (en algunos casos). El sistema de alarma, acstica o visual, se debe activar cuando el nivel de agua llegue al mnimo, y adems deber detener el sistema de combustin.

y

Las calderas de vapor, bsicamente constan de 2 partes principales:Cmara de agua:

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera. El nivel de agua se fija en su fabricacin, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde un a cierta capacidad de agua, lo cual forma la cmara de agua. Segn la razn que existe entre la capacidad de la cmara de agua y la superficie de calefaccin, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeo volumen de agua. Las calderas de gran volumen de agua son las ms sencillas y de construccin antigua. Se componen de uno a dos cilindros unidos entre s y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefaccin. Las calderas de mediano volumen de agua estn prov istas de varios tubos de humo y tambin de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefaccin, sin aumentar el volumen total del agua. Las calderas de pequeo volumen de agua estn formadas por numerosos tubos de agua de pequeo dimet ro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefaccin. Como caractersticas importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener ms o menos estable la presin del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosin y poco econmicas.|20

Por otro lado, la caldera de pequeo volumen de agua, por su gran superficie de calefaccin, son muy rpidas en la produccin de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentacin del agua y regulacin del fuego, pues de faltarles alimentacin, pue den secarse y quemarse en breves minutos.Cmara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensin. Cuanto ms variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cmara, de manera que aumente tambin la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.CLASIFICACIONES:

Existen varias formas de clasificacin de calderas, entre las que se pueden sealar: 1.-Segn la presin de trabajo :y y y y

Baja presin : de 0 - 2.5 Kg./cm2 Media presin : de 2.5 - 10 Kg./cm2 Alta presin : de 10 - 220 Kg./cm2 Supercrticas: mas de 220 Kg./cm2.

2.-Segn se generacin :y y y

De agua caliente De vapor: -saturado (hmedo o seco) -recalentado.

3.-Segn la circulacin de agua dentro de la caldera:y y

Circulacin natural: el agua se mueve por efecto trmico Circulacin forzada: el agua se hace circular mediante bombas.

4.-Segn la circulacin del agua y los gases calientes en la zona de tubos de las calderas. Segn esto se tienen 2 tipos generales de calderas:y Pirotubulares o de tubos de humo .

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En estas caderas los humos pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea.y Acuotubulares o de tubos de agua.

El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a alta presin y alta temperatura, se usa en plantas trmicas para generar potencia mediante turbinas.

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Ejercicio Tipo. Calentador de aire en contra corriente con una masa de gases de combustin de un horno para generar vapor. (Combustible carbn vegetal)

Esquema de proceso para una caldera de alta presin que ocupa como combustible de carbn vegetal

Agua Liquida 25 C

Gases de Combustin T:1800 PRECALENTADOR DE AIRE

Gas Enfriado

Combustible 500 c

HORNO P-65 atm Aire Precalentado T Residuo solido 1800 c

Aire Atmosfrico 25 C Hr: 85%

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Teniendo como datos: y Combustin incompleta de 10% y Combustin completa de 90% y Una composicin de bagazo de caa en la entrada de:Elemento C H2 H2O S Inerte (ceniza) Composicin (%) 80 5 10 3 2

Planteamiento del problema

Calculando el calor de la caldera:

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FLUJOGRAMA DEL PROBLEMAINICIO Programa diseado para obtener el flujo de masa y la temperatura de salida de un pre calentador en la quema de carbn vegetal para la generacin de energa

Presione 1 Para Introducir Kilogramos De Combustible Presione 2 Para Salir

x

x2

Favor Elegir Una de las opciones

x

A

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A

Introduzca La Cantidad De Kilogramos

masacomb

masacomb