conversión a gran escala de un electrofiltro a filtro de mangas en

Conversión de un electrofiltro a filtro de mangas 1/14

II Congreso de Ingeniería Mecánica ASME Perú

Conversión a gran escala de un electrofiltroa filtro de mangas en una fábrica de

cemento

Ing. Enrique Rozas Schmitt



El presente trabajo desarrolla los aspectos técnico-económicos más relevantesde una conversión a gran escala de un electrofitro a filtro de mangas de pulsode aire realizado en una fábrica de cemento. El proyecto en mención sedesarrolló en la línea del horno 1 de la fábrica de Cementos Lima entre losaños 2004 a 2006. El desarrollo de la ingeniería básica, gestión, supervisión deobras y comisionamiento de los principales equipos lo realizó la empresa ARPLTecnología Industrial S.A.

1. Comparación entre electrofiltro y filtro de mangasEntre los principales equipos industriales que se utilizan para el control deemisiones se mencionan el electrofiltro y el filtro de mangas de pulso de aire. Elelectrofiltro y el filtro de mangas son equipos con performances muy similares(ver Figura 1). El electrofiltro es un equipo cuyo diseño para propósitosindustriales data de principios del siglo pasado y es ampliamente usado enplantas térmicas, plantas siderúrgicas, plantas de desecho y plantas decemento. Tiene la ventaja de ser de operación más económica, consumir pocaenergía, presentar poca resistencia al paso del gas y resistir altas temperaturassin embargo es muy sensible a las condiciones del proceso de producción.Además, el electrofiltro, una vez construido, tiene dificultades para sermodificado y lograr valores de eficiencia de captación de polvo más altos.Por otro lado, el filtro de mangas de pulso de aire de gran capacidad es unequipo más reciente. Antiguamente se le usaba en procesos de molienda, enplantas químicas, en operaciones mineras y en transporte de materiales.Actualmente se le encuentra en casi todas las aplicaciones industriales. Tienela ventaja de ser simple, confiable y de alcanzar altas eficiencias de captacióncon facilidad. Sin embargo, es muy sensible a la temperatura, presenta granresistencia al paso del gas, consume más energía para operar que unelectrofiltro y requiere del cambio periódico de mangas.

Figura 1 Performance comparativa de captación de polvo para diferentes equipos



Tabla 1 Aspectos comparativos de operación entre distintos equipos de captación de polvo.

2. Descripción general de un ElectrofiltroEl electrofiltro o filtro electrostático esta conformado principalmente por unagran caja donde se hace pasar los gases de emisión a una velocidad reducida.Estos gases se someten a un campo eléctrico de gran intensidad que cargaeléctricamente las partículas de polvo. Las partículas de polvo cargadas sonatraídas, separadas del gas y posteriormente eliminadas. Finalmente el gaslimpio sale por una chimenea hacia el ambiente.

Figura 2 Estructura de un electrofiltro



3. Descripción general de un Filtro de mangasEl filtro de mangas de pulso de aire se compone de una gran caja donde seseparan dos ambientes mediante un tabique horizontal denominado espejo otubesheet. El ambiente debajo del tabique se denomina cámara sucia y elambiente por encima cámara limpia. Sobre el tabique se montan en formavertical numerosos cilindros construidos por un tejido especial denominadosmangas. Los gases de emisión ingresan a la caja a una velocidad reducida porla cámara sucia debiendo atravesar las mangas para alcanzar la cámara limpia.Las partículas de polvo son separadas de los gases al atravesar las mangas yposteriormente eliminadas mediante pulsos de aire comprimido. Finalmente elgas limpio sale por una chimenea hacia el ambiente.

Figura 3 Estructura de un filtro de mangas



4. Conversión de un electrofiltro a filtro de mangasEn los últimos años, debido al desarrollo de la tecnología de materiales paratejidos, se ha podido construir filtros de mangas con mayor resistencia aldesgaste, a la temperatura y con menor resistencia al paso del gas. Por otrolado, nuevas regulaciones ambientales sumadas a la sensibilidad al procesoque el electrofiltro presenta ha ocasionado que muchas plantas que poseenelectrofiltros consideren el cambio de esta tecnología por la del filtro demangas. Sin embargo esta solución es costosa y demorada debidoprincipalmente al tamaño de los filtros y a los problemas de operación queimplica el cambio de un equipo crítico por otro dentro de un proceso productivo.La conversión de filtros surge como una alternativa a este problema quepermite cambiar de tecnología mitigando lo más posible los problemas antesmencionados. Básicamente en una conversión de filtros se retiran todos loscomponentes internos de un electrofiltro recuperando la caja, tolvas,estructuras y sistema de eliminación del polvo, dejando solamente la estructuraprincipal, posteriormente se montan en ellas el espejo ó tubesheet, las mangasy todos los componentes necesarios para hacer funcionar un filtro de mangas.La conversión se complementa con la instalación de un sistema de airecomprimido y con la repotenciación del sistema de tiro de gases. De esta formase logra un considerable ahorro en el costo inicial y se reducen los tiempos deparada de planta.

Mangas de 6,25” x 102”

Figura 4 Esquema de una conversión de electrofiltro a filtro de mangas

Para realizar un proyecto de conversión de filtros a gran escala en formaexitosa se requiere una evaluación económica completa del proyecto, uncuidadoso balance del proceso productivo, un adecuado dimensionamiento delfiltro convertido y una selección adecuada del material de las mangas.Adicionalmente se debe realizar una gestión integral y una programacióncuidadosa de los trabajos a fin de adecuar los requerimientos de produccióncon las necesidades de un proyecto de conversión.



5. Aspectos técnicosEl proyecto de conversión realizado en la planta de cemento consideraba lamodificación a filtro de mangas de un electrofiltro de ventilación de horno decemento de una capacidad nominal de 3,800 ton/día de clinker que generabacerca de 500,000 Am3/hr de gases a 370 oC con una carga de polvo de 26gr/Am3. Antes de ingresar al electrofiltro los gases atraviesan una torre deacondicionamiento de gases que los enfriaba a 155 oC. El electrofiltro originalestaba conformado por dos cámaras gemelas separadas por un pasillo deservicio. Cada cámara contaba con dos chimeneas. El sistema de ventilaciónoriginal funcionaba en sobrepresión contando con dos ventiladores de igualcapacidad operando en paralelo que succionaban los gases del horno y losimpulsaban hacia el electrofiltro.

II

I

7° piso

6° piso

Alimentación

A planta de carbón

Figura 5 Esquema de ventilación del sistema original

Foto 1 Vista del sistema de ventilación original del horno de cemento



El desarrollo del proyecto en enfocó en lo siguiente:

• Ingeniería básica de la reconversión

• Balance del proceso productivo

• Dimensionamiento del filtro de mangas

• Selección del material de las mangas

• Dimensionamiento del ventilador de tiro de filtro

• Ejecución de los trabajos

5.1. Ingeniería básica de la reconversiónEl diseño de la conversión consideró reutilizar uno de los dos ventiladores detiro del horno como ventilador de tiro del filtro de mangas mediante un nuevoarreglo de ductos. Las cuatro antiguas chimeneas del electrofiltro seríanreemplazadas por una nueva chimenea central. Se aprovecharía la chimeneacentral como soporte estructural de los nuevos ductos. De esta forma sereducirían los trabajos involucrados y se acortarían los plazos de ejecución. LaFigura 6 presenta el esquema básico de la conversión.

6° piso

II

7° piso

I

Alimentación

A planta de carbón

racor

Figura 6 Esquema básico de la conversión

5.2. Balance del proceso productivoPara verificar los supuestos de funcionamiento y obtener los requerimientosexactos de los equipos involucrados se llevó a cabo un estudio técnico dondese realizó un balance completo del sistema de ventilación de la línea del horno.A partir de este estudio se determinó las dimensiones básicas del filtro demangas, del ventilador de tiro y de los ductos de transporte de gases, así comose evaluó el comportamiento del sistema para diferentes niveles de produccióny condiciones de operación del horno. La Figura 7 presenta la hoja de cálculogeneral de balance del sistema.



54.4 O 1190 rpm 20 oC aire 1190 rpm512.8 OA 10549 Pa total 0.1 kg/seg aire 4996 Pa total25.2 AB -10768 Pa estt ingreso 90.0% Eff térmica -5251 Pa estt ingreso

134.1 Am3/seg 165 Am3/hr aire 129.6 Am3/seg1694 kW 0.0 m/seg 826 kW

83.5% Eficiencia 100.0% cierre comp. 80.0% Eficiencia2.10 C compuerta 0.20 C compuerta

24.5% cierre comp. 0.0% cierre comp.

108 kJ/kg

70.0% Eff descarb95.5% Eff cap polvo0.525 kJ/kgoC

257 ton/hr60 oC

64.7% CaCO334.8% Oxidos0.5% H2O

2,619 lt/hr petroleo20 m/seg60 oC

0.60 kg/seg89.9% %C6.5% %H2.6% %O1.0% %S9500 kcal/kg

8.28 kg/seg aire110% Exceso aire

24,848 Am3/hr100 m/seg150 oC

30 oC agua Parámetros1667 kJ/kg 16.3 ton/hr 49.2 kg/seg 35.0 m3/hr agua 99.9% Eff cap polvo

50 m/seg 110% Exceso aire 92.1% Eff térmica 11.5 Ton/hr rec13.90 kg /seg CaO 75 oC 147,743 Am3/hr16.63 kg/seg óxidos 79.4% %C 200 m/seg Horno 0.016%20.36 kg/seg crudo 2.8% %H 150 oC Calcinador 0.010%

6.0% %O Torre enfr 0.001%19.85 kg/seg CaO 1.5% %N 360 kW Racor 0.001% Ecuaciones 3923.76 kg/seg óxidos 0.65% %S ∆P 0.005% Incógnitas 390.37 kg/seg ceniza 8.2% %ceniza 871 kcal/kg clk Especiales 0.002%3800 ton/día clk 1.4% % humedad ∆p tuberías 0.000%1200 oC T clk 7200 kcal/kg 0.985 adim Rocío húmedo 0.000%

Torre de enfriamiento Filtros de mangas

Error global0.019%

Valor calculado

Parámetros

Salidas

Calor de sinterización

Ingresos

Combustible (petróleo)

Aire de combustión

Valor de tanteo

Horno

Calcinador y ciclonesCalor de descarbonatación

Crudo

Indice de combustión

Potencia motor

Combustible (carbón) Aire de combustión

Consumo específico

Dato Ventilador 7o nivel Ventilador 6o nivelRacor aire frescoConstantes hidráulicas

A planta de carbón

ClinkerAire de

combustión

CombustibleAire de

combustión

Combustible

Crudo

Agua

7° pisoII

I

Aire

6° piso

Polvo

O A B C D E F G Hkg/seg 60.6 86.9kg/seg 0.0 3.2

oC 768.4 400.0 188.8 200.0Pa -617 -6411 -9372 -713 -255 -884 -5128 -770 0Pa 11 95 660 1163 155 157 626 1143 82Pa -606 -6316 -8712 451 -100 -727 -4502 372 82Pa -5710 -2396 9163 -551 -627 -3775 4874 -290

kg/m3 0.367 0.562 0.731 0.783 0.786 0.780 0.747 0.772 0.778mg/Am3 0.000 20680 24212 25923 26041 25807 24717 26 26kg/m3 0.367 0.582 0.755 0.809 0.812 0.806 0.747 0.772 0.778Am3/hr 594,217 556,711 475,508 444,113 442,103 446,111 465,798 450,375 446,950m/seg 7.8 18.1 41.8 53.6 19.6 19.7 40.9 54.4 14.5

% 62.4% 50.9%% 33.6% 45.3%% 2.0% 2.2%% 1.8% 1.4%% 0.089% 0.062%% 0.097% 0.082%

kJ/kg 1.220 1.124 1.128adim 1.275 1.288 1.318

% 70.5% 60.2%% 24.1% 34.1%% 3.5% 4.1%% 1.7% 1.5%% 0.100% 0.073%% 0.048% 0.042%

gr/mol-gr 31.59 33.12oC 83.5 89.3oC 71.4 81.2

k isoentrópico 1.316 1.316 1.31550.0%

205.1

0.056%1.3%

112.2

28.3%20.4%1.2%

0.061%

30.540.035%

30.54

0.073%1.133

49.9%28.3%20.5%1.2%

0.061%0.035%

% peso CO

112.2

45.8%40.7%12.0%1.3%

0.056%0.073%

1.133 1.136

45.8%

96.6

199.0

96.60.003

% peso CO2

∆P total

% peso H2O

Densidad del gas con polvoConcentración de polvo

Presión estáticaPresión dinámica

Presión total

Densidad del gas

% vol CO

Velocidad

Flujo másico polvo crudoTemperatura

Condición del gas

Punto de rocío húmedo 90.7

% vol N2

Flujo másico gas

Caudal real

Calor específico promedio

Punto de rócio acido

% vol SO2

92.6

% peso N2

% vol H2O

% peso SO2

% peso O2

% vol CO2

40.7%12.1%

Peso molecular promedio

% vol O2

Figura 7 Balance del sistema de ventilación de la línea del horno de la planta de cemento

5.3. Dimensionamiento del filtro de mangasEn base a los resultados del estudio técnico se dimensionó el filtro de mangastomando en consideración el espacio disponible que la conversión de loselectrofiltros permitía obtener. La Tabla 2 presenta las especificacionestécnicas del filtro de mangas convertido.



Caudal de diseño (Am3/hr) 250000Diametro de la manga (6.25") mm 158.75Longitud de la manga (102") mm 2591Longitud espejo mm 14910Ancho espejo mm 10950Distancia entre flautas mm 230Distancia entre hileras de mangas mm 230Valvulas por salida und 3Extremos libres mm 188Pasadizo central mm 595Longitud libre cortina mm 1285Area de la manga m2 1.29Area de filtrado m2 3468Numero de flautas por largo exacto und 63Numero de mangas por ancho exacto und 43Numero de flautas por largo und 61Numero de mangas por ancho und 44Numero de mangas und 2684Relación aire tela m3/min/m2 1.20Can velocity m/seg 0.63Velocidad bajo el muro m/seg 4.94Salidas de Controlador (triple conexión) und 41

Tabla 2 Especificaciones técnicas del filtro reconvertido

5.4. Selección del material de las mangasEl material de las mangas debe ser seleccionado en función del tipo de gases,temperatura de trabajo, temperatura de rocío ácido, carga de polvo, eficienciade captación deseada, humedad de los gases, presencia de oxigeno ypresencia de hidrocarbonos, entre otros aspectos. En base a la informaciónobtenida se decide instalar mangas de fibra de vidrio con membrana de teflónque permiten alcanzar una eficiencia de captación de más de 99,99% con unatemperatura máxima de trabajo de 260 oC. Valores comparativos deperformance química y mecánica para diferentes materiales de mangas defiltración se muestran en La Tabla 3.



Tabla 3 Cuadro comparativo de materiales de mangas. Se muestra resaltado los dos elementospresentes en la manga compuesta de fibra de vidrio con membrana de teflón (PTFE)

5.5. Dimensionamiento del ventilador de tiro de filtroSiendo que el filtro de mangas presenta una mayor resistencia al paso del gasque un electrofiltro, se decidió que uno de los dos ventiladores de tiroexistentes se reutilice como ventilador de tiro del filtro de mangas. A fin dereducir los costos y simplificar los trabajos se realizó un estudio que permitiómodificar únicamente el rodete del ventilador para su trabajo en las nuevascondiciones necesarias. La Tabla 4 presenta los parámetros de diseño delventilador antes y después de su modificación. El diseño mecánico, fabricación,montaje y puesta en marcha del nuevo rodete se realizó íntegramente en elPerú con personal peruano estando este equipo actualmente en operación enforma satisfactoria.



Parámetro Ventilador original Ventilador modificadoGanancia de presión 101 mbar 73 mbarCaudal nominal 130 Am3/seg 160 Am3/segVelocidad 1190 rpm 1190 rpmTemperatura de trabajo 350 oC 200 oCDensidad del gas 0,56 kg/m3 0,67 kg/m3

Potencia nominal 1620 kW 1460 kWDiámetro externo 2,80 m 2,47 mDiámetro interno 1,22 m 1,28 mAncho externo 165 mm 294 mmAncho interno 350 mm 473 mmNúmero de álabes 9 11Ángulo externo 40º 40o

Ángulo interno 40o 30o

Peso del rodete (sin eje) 4,0 ton 2,6 ton

Tabla 4 Parámetros de operación del ventilador de tiro del filtro de mangas antes y después de lamodificación

Foto 2 Nuevo rodete para ventilador de tiro de filtro de mangas



5.6. Ejecución de los trabajosEl lugar de las obras se encontraba a mas de 60 m de altura en un lugar dedifícil acceso y en medio de una planta de cemento en plena operación.Adicionalmente y por la antigüedad de los equipos, no se conocía conseguridad el estado de sus estructuras. Para resolver estos problemas seinstaló una grúa torre de 100 m de altura bajo gancho que alcance con facilidadcualquier punto por encima de la zona de trabajos. Por otro lado eldimensionamiento final de las piezas a montar se realizó tomando el cuenta lacapacidad de izaje de esta grúa. Se menciona que el total de las fabricacionesse realizó en talleres nacionales. Adicionalmente la conversión dentro de lacaja del electrofiltro se concibió de tal forma que las estructuras a montar nodependan de la condición de las planchas de acero originales.

Foto 3 Vistas durante el desmontaje y montaje del filtro. (Arriba izquierda) Desmontajeelementos internos del electrofiltro (Derecha) Montaje de tubesheets (Abajo izquierda)Montaje de mangas y canastillas.



Foto 4 Labores de montaje (izquierda) vista desde la cámara sucia durante el montaje demangas (derecha) prueba de estanqueidad con polvo fluorescente y luz monocromática.

Foto 5 Labores de montaje. (Arriba izquierda) Montaje de ducto de transporte de gases(Derecha) Vista de ductos de ingreso a filtros de mangas (Abajo izquierda) Detalle desoporte estructural de ductos en la chimenea.



6. Aspectos económicosLa Tabla 5 presenta costos comparativos entre una conversión de filtros y lainstalación de un filtro de mangas nuevo tal como la realizada en la planta decemento. Se concluye que una conversión es ventajosa especialmente en loscasos de filtros grandes como parte vital de un proceso productivo con grandescostos por parada de planta.

Cant Costo (M$) Cant Costo (M$)

Adquisición de mangas, canastillas válvulas de pulso y accesorios varios Gbl 826 M$ Gbl 826 M$

Fabricación de partes nobles para el filtro de mangas 100 TM 1 000 M$ 100 TM 200 M$

Fabricación de estructuras varias y ductos complementarios 800 TM 1 200 M$ 400 TM 600 M$

Implementación nuevo ventilador de tiro para filtro de mangas 32 TM 400 M$ 5 TM 100 M$

Desmontajes 700 TM 332 M$ 380 TM 180 M$

Montajes mecánicos 932 TM 1 118 M$ 500 TM 600 M$

Obras civiles Gbl 260 M$ Gbl 260 M$

Instalaciones de mando y fuerza Gbl 90 M$ Gbl 90 M$

Total 5 226 M$ 2 856 M$

Alternativa conversión de filtros

Alternativa instalación filtro nuevo

Actividad

Sin incluir costos de gestión e Ingeniería

Sin incluir IGV

Tabla 5 Tabla comparativa de costos entre una conversión y la instalación de un filtro nuevo (enmiles de dólares M$)

conversión a gran escala de un electrofiltro a filtro de mangas en

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