Eficiència energètica en el sector paperer i

Situació a Catalunya

Joaquim Lluís Almirall

CTP S.L.

Abril 2005

Informes i estudis tecnològics encarregats per l’Institut

Català d’Energia

1

ESTUDI DE LES MILLORS TECNOLOGIES

DISPONIBLES EN CONSUM D’ENERGIA DEL SECTOR PAPERER

TOM I 1.-ANÀLISI SECTORIAL TOM II AVALUACIÓ DE LES TECNOLOGIES EFICIENTS AVANÇADES 1.-Instal.lació d’arrencadors elèctrics “suaus” de nova tecnologia 2.-Aplicació dels reguladors de velocitat en l’accionament de remenadors 3.-Aplicació de reguladors de velocitat en l’accionament de pulpers 4.-Aplicació dels reguladors de velocitat en l’accionament de bombes de buit 5.-Assecat amb cilindres escalfats amb vapor d’aigua 6.-Refinat separat de fibres 7.-Fraccionament de la pasta de retall previ a la Dispersió 8.-Altres aplicacions de la Cogeneració

2

TOM I 1.-ANÀLISI SECTORIAL 1.1.-Consum i producció El Sector Paperer presenta un creixement en consum del 3,8% si comparem les dades de l’any 2003 amb les del 2002.Aquest creixement es força més baix que l’hagut en l’any anterior: 8,6% d’augment el 2002 respecte al 2001. Per els primers 9 mesos de l’any 2004, l’augment de consum a continuat, si bé el ritme es molt més baix a prop del 2%. En quant a la producció, també hi ha un augment anyal del 1,3% en el període 2003/2002, mentre que per l’any anterior 2002/2001 l’augment de producció fou del 4,5% Sembla que els països que més han patit en els darrers anys la recessió econòmica, amb caigudes importants dels nivells de producció, son ara els que presenten un creixement més gran. En realitat aquest creixement significa recuperar la capacitat de producció perduda. El mateix succeeix amb el consum, el consum a Espanya augmenta per sota del d’Europa, no obstant cal recordar que aquest consum espanyol ha mantingut un creixement continuat els darrers anys entre el 4 i el 6%, per sobra del d’Europa.

PRODUCCIÓ I CONSUM DE PAPER A ESPANYA

ANY 2001 ANY 2002 ANY 2003 PRODUCCIÓ

CONSUM PRODUCCIÓ CONSUM PRODUCCIÓ CONSUM

2002/2001 2003/2002 miler tones miler tones miler tones % miler tones miler tones % miler tones

per diaris 316,20 303,30 -4,08 305,70 0,79impressió 1.097,00 1.170,90 6,74 1.184,90 1,20Tissue 468,90 485,80 3,60 494,10 1,71per ondular 2.123,10 2.252,30 6,09 2.328,70 3,39Sacs 156,40 159,80 2,17 170,00 6,38Cartones 501,60 508,10 1,30 455,10 -10,43Altres 469,00 484,80 3,37 495,10 2,12TOTAL 5.132,20 6.399,70 5.365,00 4,54 6.949,40 5.433,60 1,28 7.216,90

3

Bé, a pesar de que les perspectives no semblen massa bones, hi han en marxa 6 nous projectes paperers pels propers anys:

• 3 Màquines de producció de paper tissue (dues a Catalunya: SCA a Puigpelat (Tarragona) i Industrial Paperera a Carme).

• 2 Màquines de producció de paper per ondular • 1 Màquina per produir paper per diaris (paper premsa)

BALANÇ MERCAT PAPERER ESPANYOL

ANY 2001

ANY 2002

ANY 2003

EXPORTACIÓ(mil.tones) 1.673,00 1.808,10 1.830,40 IMPORTACIÓ(mil.tones) 2.939,00 3.392,50 3.609,60 EXP-IMPORT(mil.tones) -1.266,00 -1.584,40 -1.779,20

Com pot observar-se el mercat paperer espanyol, continua amb el comportament habitual:

• Mantenir una quantitat quasi fixa d’exportació • Importar dels països veïns les quantitats que li son necessàries

Per tant aquestes noves instal·lacions, serviran per disminuir les importacions que completen el consum intern. Cal esmentar que revisant les dades disponibles dels primers tres trimestres de l’any 2004, es noten les següents tendències:

• Disminució del mercat amb l’exterior • Disminució especialment de l’exportació, hi ha un fort augment en el

paper per ondular i una forta davallada en el cartonet i sacs • Es continua important a prop del 20% del paper consumit

L’indústria paperera a Catalunya, significa respecta al total espanyol, el 20% com capacitat de producció, seguida pel País Basc que significa el 19,5% i l’Aragó el 18%. Pel que fa a nombre d’empreses papereres, Catalunya té:

• 1 fàbrica de Pasta de Paper • 36 fàbriques de paper

i segons estadístiques dona treball a uns 5.600 treballadors. Aquestes empreses papereres majoritàriament son participades per capital de l’exterior i respecta al tipus de paper produït l’ordre en importància és: paper per ondular, paper d’impressió i escriptura i tissue.

4

El consum total de paper a Catalunya es d’uns 185 kg/persona-any, el qual es distribueix així:

• 82 kg paper d’embalatge • 53 kg paper d’impresió i escriptura • 18 kg paper premsa • 14 kg paper tissue

aquest consum es superior a la mitjana espanyola la qual està situada al voltant dels 170 kg/persona-any i s’apropa ja molt als valors de consum de la CE de 192 kg.

5

1.2.-Matèries Primeres Si mirem les estadístiques de consum de les dues principals matèries primeres: Pasta de Paper i Paperot, veiem el següent: CONSUM DE MATÈRIES PRIMERES INDÚSTRIA PAPERERA ESPANYOLA

ANY ANY ANY unitat 2001 2002 2003

PRODUCCIÓ PAPER mil.tones 5132 5365 5424 CONSUM DE PAPER mil.tones 6400 6949 7217 Pasta de paper mil.tones 1643 1701 1724 Taxa d'0TILUTZACIÓ % 32,01 31,71 31,78 Paperot RECOLLIT mil.tones 3496 3617 3643 Paperot IMPORTAT mil.tones 772 860 911 Paperot EXPORTAT mil.tones 71 107 112 Paperot CONSUMIT mil.tones 4197 4370 4442 Taxa de RECOLLIDA % 54,63 52,05 50,48 Taxa d'UTILITZACIÓ % 81,78 81,45 81,90 TAXA de RECICLATGE % 65,58 62,89 61,55

• Taxa d‘Utilització: Pasta ó Paperot Consumit sobre Paper Produït • Taxa de Recollida: Paperot Recollit sobre Paper Consumit • Taxa de Reciclatge: Paperot Consumit sobre Paper Consumit

En forma molt resumida podem concloure que el paper produït a Espanya, té una composició de matèries primeres fibroses de:

• 30% de Pasta de Paper • 80% de Paperot

resultat força coherent si tenim en compte que:

• S’empra pràcticament 100% de Paperot en la producció del paper premsa, el per ondular i el cartonet

• S’utilitza pràcticament 100% de Pasta de Paper en la producció dels papers d’impressió i el tissue

També en forma molt resumida pot concloure’s que el paper consumit conté més del 60% de Paperot. D’altre banda mentre que la situació pel que fa a la Pasta de Paper, pràcticament les importacions i les exportacions donen un balanç equilibrat, amb un lleuger superàvit d’exportació, pel Paperot seguim tenint un dèficit d’unes 800.000 tones, que cal importar.

6

Sembla necessari millorar les polítiques que augmentin la taxa de recollida per tal de augmentar el paperot disponible en el mercat i forçar així una més gran utilització.

7

1.3.-Energía Fent servir les darreres dades disponibles, pot estimar-se que el consum energètic de la indústria paperera a Catalunya per l’any 2003 fou de 460.000 Tep. Fent servir la distribució típica entre energia tèrmica i elèctrica dins una fàbrica de paper, podem estimar:

• Consum tèrmic 368.000 Tep • Consum elèctric 92.000 Tep

Cal recordar que dins una fàbrica de paper no integrada amb fabricació de Pasta, el consum energètic s’empra en les operacions següents: E.Elèctrica E.Tèrmica Operació % % Preparació de Pasta 8 Refinat 25 Bombejament 27 Agitació de tancs 3 Accionament 14 Assecat 4 85 Auxiliars 2 5 Tractament d’aigua 6 Altres 11 10 Com es ben conegut el procés paperer que consumeix energia elèctrica per l’accionament de les màquines i energia tèrmica per l’assecat, es un procés que pot beneficiar-se de tecnologies com la cogeneració. Si bé aquest procés està implantat a unes 20 fàbriques de paper, sembla que les darreres normatives dictades per regular aquestes instal·lacions no han afavorit un desenvolupament més gran, a pesar de que es tracta d’un procés amb alta eficiència energètica, que utilitza gas natural i per tant es més net i que la CE el considera com una alternativa a ser fomentada. En aquest moments la indústria paperera resta pendent de rebre la quantitat d’emissions de CO2 assignada, per complir amb el Protocol de Kioto. Cal recordar que la situació real es que l’augment sobre l’any 1990 es del 35%. Aquest sens dubta es un altre element que limitarà l’expansió futura i situa les nostres indústries en desavantatge respecte a d’altres països.

8

1.4.-Aigua Com es ben conegut i com a conseqüència de la política de millora de la qualitat ambiental endegada per l’Administració de Catalunya, el consum d’aigua per unitat de producció es el més baix d’Espanya i un del més baixos d’Europa. Catalunya té en aquest moments varies fàbriques de paper, treballant amb abocament “zero” i el fet de no tenir en marxa cap fàbrica integrada de pasta i paper, en las que el consum d’aigua es molt superior, fa que el consum conjunt sigui baix i pot estimar-se al voltant dels 20 m3/tona de paper. Aquest consum es troba dins la franja de consum baixa de:

• Espanya 35 m3/tona (entre 5 i 152) • França 32 m3/tona (entre 5 i 60) • Gran Bretanya 41 m3/tona (entre 4 i 230)

Per disminuir-lo cal implementar més tractaments dins les fàbriques per tal de poder tractar l’aigua de procés i depurar-la fins al nivell d’aigua fresca. També com en el cas de l’energia, la situació a Catalunya no propicia el desenvolupament de la indústria paperera. En els darrers anys una bona quantitat de projectes paperers s’han muntat a l’Aragó i en d’altres indrets de l’Estat Espanyol, gràcies a les facilitats en quant a terreny, aigua i menor exigències mediambientals.

9

1.5.-Tendències tecnològiques Com queda clar quan es veu la distribució de consum energètic dins d’un procés paperer, hi ha unes operacions bàsiques que son les que consumeixen més energia: Energia tèrmica:

• Assecat Electricitat:

• Refinat • Bombejament • Fraccionat de fibres en línies de Retall

Aquesta distribució pot variar considerablement d’una fàbrica a l’altre depenen de la matèria primera emprada: no es el mateix produir paper a partir de Pasta de cel·lulosa que fer-ho fent servir Retall de paperot , ja que en el primer cas caldrà obligatòriament refinar i la majoria de vegades no cal fer-ho quan s’empra Retall. Es per això que cal eixamplar la forquilla de operacions per encabir-hi processos que estadísticament no compten en resums d’agrupacions de moltes fàbriques i que poden ser importants en d’altres. Cal no oblidar la gran quantitat de Retall que es consumeix en la indústria paperera espanyola. D’altre banda cal anar més enllà en l’aplicació i utilització de tecnologies ja emprades en algunes operacions:

• Variació de velocitat a més de a motors de bombes a motors connectats a altres equips: pulpers, bombes de buit, remenadors i en substitució d’arrencadors standards.

• Arrencadors elèctrics que permeten a més d’una arrencada i una aturada suau, modificar les condicions de funcionament del motor i millorar-ne el rendiment.

• Optimitzar els sistemes d’assecat convencional amb cilindres • Utilitzar la co-generació com una tecnologia per subministrar energia

elèctrica i tèrmica a processos que en consumeixen molta, a un cost més assequible.

Anem a veure l’estat actual de desenvolupament tecnològic de cadascuna d’aquestes operacions bàsiques i el seu grau d’implantació a Catalunya:

10

ASSECAT CONVENCIONAL AMB CILINDRES: Aquest es el procés emprat pràcticament en totes les fàbriques per eixugar el full humit de paper a la sortida de les premses. Hi ha alguns tipus de paper que s’assequen amb aire calent per no malmetre característiques específiques. Amb l’augment de velocitat de les màquines, avui es normal que les màquines de producció de paper funcionin per sobre dels 1.000 m/min, l’extracció de condensats de l’interior dels cilindres assecadors es més difícil, ja que cal contrarestar l’acció de la força centrífuga que fa que el condensat “pesi” més. Aquesta dificultat es pot resoldre aplicant major diferencial de pressió entre l’interior i l’exterior del cilindre, per facilitar el desguàs. El treball amb diferencials de pressió molt elevades, dificulta l’ús posterior del vapor flash ja que en limita la pressió d’aplicació. Per aquest motiu es important assegurar el correcte funcionament i desguàs dels cilindres d’assecat, ja que la presencia d’aigua condensada en el seu interior , a més d’augmentar el consum d’energia tant mecànica, cal accionar també l’aigua emmagatzemada, com tèrmica al dificultar la transmissió de calor des del interior fins al paper, es causa de mala qualitat del paper produït i pèrdua de producció. Es per aquest motiu que s’adjunta un full de càlcul que permet calcular el coeficient de transferència que s’utilitza en enginyeria paperera i per comparació entre el resultat de la màquina analitzada i els valor acceptats com standards, determinar si hi ha problemes i esbrinar el seu origen. Per resoldre els problemes de desguàs de condensat, hi ha força tecnologies que poden aplicar-se:

• Utilització de sifons adequats a la velocitat • Sistemes de control que permetin un funcionament correcte del sistema

instal.lat • Utilització de termo compressors de vapor per recircular dins el mateix

grup el vapor “flash” generat. • Instal.lació de barres de turbulència per trencar la capa de condensat i

millorar la transferència. Tal com ja hem indicat, l’utilització de cilindres d’assecat es la tecnologia que s’empra normalment per assecar el paper, per tant pràcticament totes les màquines de producció de paper l’utilitzen. L’eficiència energètica dels grups d’assecat i l’ús dels millors sifons, sistemes de control i demés tecnologies que s’han esmentat, ja no es tan habitual. Per tant fer un anàlisi inicial de l’eficiència calculant el coeficient de transferència,

11

permetrà posar en evidència el funcionament i en tot cas l’aplicació posterior de tecnologies que millorin l’estalvi i l’eficiència. RESULTATS OBTINGUTS: En general a partir de l’anàlisi de funcionament poden aplicar-se diferents tecnologies que millorin l’eficiència de l’assecat. En tots els casos l’inversió té un període de retorn inferior a 1 any.

12

ARRENCADORS SUAUS DE NOVA TECNOLOGIA Si bé la indústria paperera treballa normalment en continu, hi ha processos i equips que ho fan de forma discontinua. També hi ha equips amb una potencia instal·lada important i en els quals les arrencades i aturades afecten no tan sols el consum energètic, si no a més la vida i el cost de manteniment de l’equip. Quant ambdues circumstàncies s’apleguen: treball en discontinu i alta potencia, s’acostuma instal.lar com arrencador elèctric uns equips denominats de manera general arrencadors suaus, els quals permeten mitjançant un control electrònic, mantenir el corrent nominal en el moment de l’arrencada dins de valors més baixos, a base d’actuar sobre el voltatge, la freqüència i el flux elèctric. Aquests arrencadors permeten programar unes rampes d’arrencada i aturada, juntament amb uns límits de consum, de forma que el resultat es aconseguir que el motor arrenqui sense ultrapassar valors de consum normals, tal com passa en els arrencadors: estrella-triangle ó directes. Aquesta tecnologia que ja fa temps que està a l’abast, s’ha millorat darrerament amb la incorporació de més control sobre el funcionament del motor, no tan sols en els moments d’arrencada i aturada, si no durant el funcionament normal i sobre tot quan es produeixen canvis en la càrrega demandada. Aquest nou tipus d’arrencadors suaus fa molt poc temps que son en el mercat i s’ha començat a fer les primeres instal.lacions amb resultats d’estalvi energètic prou importants, a més de millores mecàniques en el funcionament i sense incrementar problemes de harmònics com passa amb els inverters. Per la seva novetat aquesta es una tecnologia que no s’empra encara dins la indústria paperera a Catalunya, si bé se han iniciat assaigs amb resultat positiu. RESULTATS OBTINGUTS: En aquest cas, es tracta del motor d’un triturador de retall de 110 kW nominals, mesurant el consum energètic s’assoleixen:

• Sense arrencador suau 31,5 kWh/h • Amb arrencador suau 27,0 kWh/h

Tenint en compte que l’arrencador va significar una inversió de 4.000 Euros, i l’estalvi es de 4 kWh x 0,06 Euros = 0,24 E/h Aquest estalvi dona un temps de retorn de la inversió teòric de 2,01 anys, el valor real estarà per sota de 1 any.

13

NOVES APLICACIONS DELS VARIADORS DE VELOCITAT D’ençà que la tecnologia de variació de velocitat pels motors de corrent alterna, es tant a l’abast, s’ha pogut aplicar a molts equips, especialment bombes i ventiladors, de forma a aconseguir situar la corba característica de l’equip en el punt de treball del sistema, i fer-ho d’una forma més eficient si ho comparem amb els sistemes tradicionals: vàlvules a la descàrrega, by-pass, canvi de dimensions del rodet, i d’altres. Però amb aquesta tecnologia pot millorar-se l’eficiència d’altres equips, i també emprar-la millorant l’eficiència energètica substituint vàlvules de control, cabalímetres, etc. De forma general la utilització d’aquesta tecnologia pel que fa a les bombes, especialment les de mescla i alimentació a la Caixa d’Entrada de les màquines de producció de paper, es molt habitual. També ho es en el cas dels accionaments de la pròpia màquina, on hi ha endegat un procés de substitució de sistemes de corrent continu, per aquest nous sistemes de corrent alterna, evitant-se els problemes de manteniment d’escombretes i de col·lectors. L’ús en d’altres equips i instal.lacions, fent part del sistema de control del procés ja es menys habitual. Anem a veure possibles utilitzacions d’aquesta tecnologia en d’altres equips del procés paperer.

14

VARIACIO DE VELOCITAT EN REMENADORS Els dipòsits que contenen pasta de paper, al tractar-se d’una suspensió cal que estiguin sotmesos a una agitació continuada. Generalment es fan servir hèlix tipus marines que treballen a velocitat fixa. Naturalment la potencia requerida per mantenir un nivell d’agitació acceptable, depèn del nivell de pasta dins el tanc. Inter connectant el transmissor de nivell del tanc amb l’inverter, pot ajustar-se de forma automàtica la velocitat d’agitació amb el nivell del tanc aconseguint-se a més d’un estalvi energètic, evitar les esquitxades de pasta quan el nivell es baix i malmetre el remenador per cavitació de l’hèlix. Aquesta es una tecnologia molt poc utilitzada, si bé en algunes fàbriques, els tancs d’emmagatzematge treballen en discontinu i es mantenen sense agitació, fins que es posa en marxa la bomba de buidat. Aquesta es una solució que genera un estalvi energètic, però sotmet l’equip a nombroses arrencades i aturades amb càrrega, que generen puntes elèctriques de consum i malmeten mecànicament el conjunt. Per tant l’ús d’una tecnologia establerta de variació de velocitat, en uns equips on no es habitual emprar-la, no es gens habituals en les fàbriques de paper de Catalunya i pot aportar estalvis i millores interessants. RESULTATS OBTINGUTS: Aplicant el control de velocitat en un remenador de 90 kW de potencia instal.lada:

• Consum energètic inicial 1008 kWh/dia • Consum obtingut amb l’aplicació 662 kWh/dia • Inversió 6.200 Euros • Retorn de la inversió 299 dies

15

VARIACIÓ DE VELOCITAT EN ELS PULPERS: Especialment es recomanable el disposar d’inverter quan el pulper es d’ALTA CONSISTÈNCIA i/o treballa en discontinu, ja que inicialment es requereix molta velocitat d’agitació = molta potencia, per “mullar” la matèria fibrosa, pasta ó retall, i posteriorment un cop s’aconsegueix fer fluir la massa, la velocitat requerida i per tant la potencia poden disminuir. Finalment un cop “repolpada” la pasta, quan s’inicia la descàrrega, es millor fer-ho a baixa velocitat del rotor, facilitant la incorporació de l’aigua, facilitant el treball de desguàs i evitant les típiques esquitxades. Totes aquestes etapes de treball poden automatitzar-se fàcilment amb un control tipus PLC, a base de: iniciar el treball amb una rampa ben suau que permeti evitar la punta d’arrancada, mantenir durant un temps a màxima velocitat, continuar un altre temps amb una velocitat més baixa i finalment al descarregar baixar al mínim la velocitat. De forma general aquesta es una tecnologia molt poc utilitzada. Hi ha força pulpers amb arrencadors suaus per evitar les puntes de consum a l’arrencada, però l’ús de variadors no està gens aplicada degut a que estem parlant de motors d’alta potencia i que per tant el cost de l’inverter també es molt elevat. Les experiències hagudes han assolit temps de retorn de la inversió molt curts. RESULTATS OBTINGUTS: Aplicació del control de velocitat en el motor d’accionament d’un pulper d’Alta Consistència, discontinu i d’una potencia de 200 kW:

• Consum energètic inicial 3.080 kWh/dia • Consum obtingut amb l’aplicació 2.156 kWh/dia • Inversió 16.200Euros • Retorn de la inversió 303 dies

16

VARIACIÓ DE VELOCITAT EN BOMBES DE BUIT La indústria paperera i especialment les màquines més modernes i ràpides empren molts elements de desguàs que treballen a pressió negativa, a buit. Aquest buit es genera en centrals formades per bombes d’anell líquid les quals alimenten els diferents punts de consum. En les màquines en que les condicions de permeabilitat del paper i/o dels feltres, poden fer variar les condicions de nivell i cabal del buit aspirat, solen estar equipades de sistemes que disminueixen el buit obrint un escapament atmosfèric. Aquest sistema fa que les bombes continuïn consumint la mateixa energia, o quasi bé la mateixa. Una manera d’estalviar aquesta energia que es llençada, es fent variar la velocitat de la bomba, de forma a adequar la seva corba característica a les necessitats del sistema, tal com es fa en les bombes centrífugues. Aquesta aplicació dels inverters tampoc es massa habitual i la causa es la mateixa esmentada abans al parlar dels pulpers: els motors son d’alta potencia i el cost dels inverters es també força alt. RESULTATS OBTINGUTS: El retorn de la inversió inferior a 1 any

17

VARIACIÓ DE VELOCITAT EN ALTRES ACCIONAMENTS Hi ha d’altres màquines del procés paperer on s’hi pot instal·lar inverters per ajustar la velocitat de gir del motor a les millors condicions tan tècniques com econòmiques del procés: refinadors, dispersors, etc. Cal recordar que inicialment i per els motors amb arrencadors estrella-triangle, el instal.lar-hi un inverter significa un estalvi d’instal.lació, ja que només cal conectar 3 conductors entre l’inverter i el motor en lloc dels 6 de l’arrencador estrella-triangle. Actualment ja hi ha fàbriques de paper en las que s’empren inverters en lloc d’arrencadors. L’experiència ha demostrat que si bé la inversió inicial es més alta, deguda al preu dels inverters, l’abaratiment de cost d’instal.lació que aporten i la reducció de consum energètic que se’n obté, escurça el periode de retorns de la inversió per sota dels 18 mesos.

18

MILLORES EN EL PROCÉS PAPERER Hi ha operacions bàsiques dins del procés paperer que consumeixen molta energia tant mecànica com tèrmica. Entre elles hem seleccionat el Refinat i la Dispersió. El Refinat de pasta necessari en les fàbriques que empren Pasta de cel·lulosa com matèria primera, però també en les que empren Retall i han d’assolir valors importants de característiques mecàniques. La Dispersió com a tractament per millorar la qualitat i la “maquinabilitat” de retalls amb alt contingut de contaminant termoplàstic. La manca d’aquest tractament en les fàbriques de paper reciclat, impedeix fer servir Retalls de més baixa qualitat, els quals es troben més fàcilment i a més baix cost en el mercat Ambdues operacions bàsiques requereixen molta energia mecànica i a més la Dispersió també consumeix força energia tèrmica per ser més eficaç.

19

REFINAT: Refinar la pasta de paper significa, d’una manera molt simplificada, sotmetre les fibres a una acció mecànica que les escurça, les infla al hidratar-les i augmenta la superfície específica, de forma que facilita les unions fibra-fibra, aconseguint-se a la fi un paper amb més resistència mecànica. Les fàbriques de paper fan servir dues classes de matèries primeres fibroses: Pasta de paper i/o Retall. Les que empren Pasta de paper obligatoriament han de refinar per obtenir un paper amb les característiques mecàniques precises, les que utilitzen Retall també refinen segons la qualitat i tipus de paper fabricat. Si parlem de la Pasta de paper, en el mercat troben dues classes ben diferenciades: tant en preu com en característiques: les Fibres Llargues i les Fibres Curtes. Les Fibres Llargues son pastes fabricades utilitzant com a matèria primera fusta d’arbres de fulla perenne: pi, avet, pícea, etc. Son fibres que a més de ser mes llargues, son fonamentalment més esveltes i que produeixen papers més resistents. Les Fibres Curtes son pastes fabricades a partir de fusta d’arbres de fulla caduca: faig, eucaliptus, oms, etc. Produeixen papers amb menors característiques mecàniques si bé amb millor formació. De manera normal les fàbriques empren mescles de Fibra Llarga i Curta per tal d’aconseguir les característiques mecàniques necessàries i la millor formació possible. Per refinar una Fibra Llarga cal aplicar pràcticament el doble de energia que per refinar una Fibra Curta i a més el preu de la Fibra Llarga es 15-20% més car que el de la Fibra Curta, per tant optimitzar el procés de refinat en les fàbriques que utilitzen mescles d’ambdues fibres es important tant econòmicament com energèticament. Aquest procés de refinat es realitza de dues maneres diferents:

• Refinant conjuntament ambdós tipus de fibres • Refinant per separat cadascun d’ells i mesclant-los després

Qualsevol d’ambdós sistemes poden ser millorats instal·lant instrumentació adient: mesura de consistència, de cabal i de grau de refinat Quan es fa necessari refinar Retall de paperot, també pot aplicar-se una tecnologia similar. En lloc de refinar tot el cabal de fibres, aquestes poden ser tractades prèviament en un aparell que les classifica segon grandària, un Fraccionador, de forma que tan sols cal refinar les més gruixudes.

20

Si parlem del que hi ha en les fàbriques de paper de Catalunya com a sistemes de refinat, la situació pot resumir-se: FÀBRIQUES EN BASE A PASTA DE CEL.LULOSA:

• Les fàbriques que tan sols empren Pasta de cel.lulosa, fan servir sistemes amb separació de fibres.

• Les fàbriques que empren Pasta i Retall o barreges de tots dos fan servir sistemes conjunts

• Hi ha molt poques fàbriques que tinguin instal·lada tota l’instrumentació que permet optimitzar el procés

FÀBRIQUES EN BASE RETALL:

• De manera general no refinen per el sobre cost que significa • Refinen tot el cabal de fibres • No disposen de l’instrumentació adient.

Per tant pot deduir-se que l’aplicació de tota aquesta tecnologia permetrà fer estalvis de energia elèctrica dins del sector paperer català. RESULTATS OBTINGUTS: En una fàbrica que empra Pasta de Cel·lulosa com a matèria primera, barrejant fibres curtes i llargues, l’estalvi assolit tenint en compte l’estalvi energètic i l’estalvi en matèria primera, fa que la inversió tingui un període de retorn inferior a 1 any

21

DISPERSIÓ: Aquest procés consisteix en aplicar al Retall de paperot un fort tractament mecànic i tèrmic simultàniament de forma que el contaminant termoplàstic: tinta, cola, hot-melt, etc., s’incorporen dins la massa dissimulant-se i evitant problemes posteriors en les vestidures de la màquina. La quantitat d’energia mecànica que s’hi aplica es del ordre de 100-120 kWh/TM i la temperatura d’aplicació es de 100ºC. El tractament es fa a una concentració del 30-35% per fer-lo més eficient. Una tecnologia que permet augmentar l’eficiència de l’aplicació, consisteix en tractar el Retall en un aparell denominat Fraccionador. Aquest aparell funciona com si fos un Depurador de cistella, de forma que es alimentat a pressió i el flux de pasta es troba davant d’un garbell de forats, de manera que una quantitat de pasta, la més fina i neta travessa la cistella i la que no ho pot fer per dimensió i contaminació es rebutjada. D’aquesta forma s’aconsegueixen dos fluxos:

• Pasta acceptada de fibres curtes i netes, que no cal dispersar. Pot representar el 30-40% del cabal màssic total.

• Pasta rebutjada de fibres llargues i contaminades que cal dispersar Aquesta mateixa tecnologia permet estalviar energia quan cal refinar el Retall de paperot., ja que la mateixa fracció llarga que passa per la Dispersió passa també per el procés de refinat Aquesta es una tecnologia poc emprada per estalviar energia. Si s’empra per tractar un Retall i separar-ne dos fluxos:

• Un de pasta neta que s’envia a la cara exterior del paper produït • Un de pasta bruta que queda en la capa interna i que no pot veure’s des

del exterior. Es especialment interessant aquesta tecnologia per les fàbriques produeixen paper d’embalatge i fan servir com matèria primera Retall de paperot, ja que el paper d’embalatge, específicament el paper per fabricar cartó ondulat, cal que tingui molt altes característiques mecàniques ja que un cop transformat en cartó ondulat, es sotmès a fortes càrregues de tracció, aplanament i compressió. Per l’altre banda, aquest tipus de Retall kraft, prové de caixes velles de cartó ondulat, les quals en el seu procés de producció han estat encolades, plastificades i en alguns casos tractades amb parafines per resistir ambients humits: ús en agricultura, dins de cameres frigorífiques, etc., i aquest contaminant, molt difícil de ser separats per mitjans físics, tenen la particularitat de fondre al passar per la bateria d’assecat, per efecte de la temperatura, i

22

apareixen com taques en la superfície del paper reciclat, malmeten la seva qualitat.

23

APLICACIÓ DE LA COGENERACIÓ COM TECNOLOGIA DE SUPORT PER PROCESOS AMB ALTA DEMANDA ENERGETICA La cogeneració es una tecnologia que tal com hem indicat a l’inici d’aquest treball, té en el procés paperer un camp d’aplicació fàcil per ser consumidor simultani d’energia tèrmica i mecànica. Des de l’inici de la disponibilitat de Gas natural, l’aplicació de la cogeneració en la indústria paperera ha estat més un tècnica per generar i vendre electricitat a la xarxa i aprofitar el calor residual en el propi procés d’assecat, que una tecnologia imbricada dins del procés paperer realment. Això ha fet que segons les variacions de les tarifes de compra/venda de l’energia, la seva aplicació real ha estat limitada. Hi ha un altre opció per muntar una cogeneració dins el procés paperer: utilitzar-la com suport en els processos que consumeixen molta energia, i fer-los econòmicament possibles. Hi ha tecnologies papereres que sovint no s’apliquen, degut a que demanden consums energètics força importants. Aquesta situació genera:

• Baixa qualitat del paper produït • Utilització de Pasta en lloc de Retall • Utilització de qualitats més altes de Retall que deriven en poca

recol·lecció de Retalls de mes baixa qualitat o més alta contaminació. Dins d’aquestes tecnologies papereres hi ha: el Refinat i la Dispersió les quals ja hem esmentat abans i que son consumidores importants d’energia elèctrica i tèrmica.. Hi ha també d’altres tecnologies, especialment d’assecat que s’empren tan sols en casos molt específics i també de forma molt limitada:

• Assecat per aire calent • Assecat per Infra-Roig elèctric • Sistemes inductius, resistències elèctriques i alta freqüència

De forma resumida aquestes tecnologies d’assecat s’utilitzen quan no es possible assecar amb cilindres, perquè malmeten la qualitat del paper: cas del paper estucat a la sortida del capçal de pintar amb el recubriment encara moll i també quan l’eficiència de l’assecat amb els cilindres es poc eficient, fonamentalment a la fi de la bateria, quan el paper es molt sec i molt calent i per tant, l’eficiència d’un sistema que asseca per radiació es pitjor que el d’un altre que ho fa per convecció ó per aplicació directa de l’energia.

24

A més es en aquest darrers que pot aprofitar-se per corregir diferències d’humitat en el sentit transversal del full, i es quan cal aplicar-hi energies concentrades sobre part del full per aconseguir un bon perfil d’humitat total. Aquestes tecnologies d’assecat amb correcció de perfil d’humitat, funcionen normalment amb energia elèctrica i si bé el seu rendiment kW aplicat/kg aigua evaporada es molt més alt que el del vapor d’aigua, degut a la diferència de cost entre 1 kW tèrmic elèctric i el mateix a partir de vapor, fa que l’ús d’aquestes tecnologies sigui molt limitat. Finalment també hi ha tecnologies d’ús habitual, que poden ser millorades en eficiència: Campanes d’Alt Rendiment per assecat de paper tissue, paper estucat, etc. Totes aquestes tecnologies que consumeixen molta energia: tèrmica en forma d’aire calent i/o elèctrica, en els ventiladors, poden fer-se mes eficients i econòmicament menys onerosa instal.lant-les conjuntament amb una cogeneració., la qual ens posarà a l’abast energia elèctrica a menys cost i energia tèrmica residual. Aquesta concepció de la cogeneració com a suport que permeti l’ús d’altres tecnologies no està gens aplicada dins la indústria paperera catalana.

25

PAPER TISSUE T.A.D. Els darrers anys ha sorgit un nou tipus de paper tissue, el qual es diferencia pel sistema d’assecat. En lloc d’eixugar el full humit que surt del sistema de formació directament contra un Cilindre escalfat amb vapor d’aigua per l’interior i amb una Campana d’Alta Rendiment bufant aire al seu voltant, el que es fa es iniciar el procés d’assecat bufant aire calent a través del full humit i arribar per aquest mètode fins a un grau d’humitat prou baix, 25-50%, i posteriorment acabar l’assecat d’una forma convencional.

El procés es denomina T.A.D., Trough-Air-Drying, i permet obtenir un paper tissue mol menys dens, el que es el mateix amb alt espessor i per tant amb una capacitat extra d’absorbir líquids a més de ser molt més suau. Aquesta qualitat de paper tissue s’empra per la fabricació de paper higiènic, tovalloles, tovallons i d’altres productes per l’ús personal. Aquesta tecnologia consumeix una quantitat enorme d’energía, tant tèrmica com elèctrica ja que cal bufar en el sistema inicial gran quantitat d’aire calent a una temperatura d’uns 200-250ºC temperatura i en el assecat final cal alimentar la Campana d’Alt Rendiment, de la mateixa manera que esmentavem abans.

26

Avui l’aplicació d’aquest tipus de paper tissue es veu força interessant des del punt de vista econòmic sempre que:

• Amb sistemes de formació de varies capes es puguin substituir quantitats de pasta d’alta qualitat per obtenir suavitat, per pastes de més baixa qualitat i per tant de menys preu.

• Substituir productes produïts amb 3 fulls de paper, mocadors, tovallons, etc., per 2 fulls

Aquest nou tipus de paper, molt poc difós a Europa i sense cap fàbrica a Espanya, permetria iniciar un mercat i amb un cost de producció molt a prop del de paper tissue convencional, tenir accés a una gamma de productes de molt superior qualitat i a la vegada accedir a una gamma de productes diferenciats. Actualment, aquesta tecnologia que semblava difícil de conduir i a preu molt elevat de inversió, s’està posant a l’abast amb instal.lacions de producció més petites, que permeten una introducció en el mercat, més esglaonada i amb un cost d’inversió més assumible.

27

TOM II AVALUACIÓ DE LES TECNOLOGIES EFICIENTS AVANÇADES 1.-Instal.lació d’arrencadors elèctrics “suaus” de nova tecnologia 1.1.-Concepte de la proposta El motor elèctric d’inducció de tres fases des de la seva invenció, s’ha convertit en un dels equips més importants a nivell productiu degut a la simplicitat, baix cost, fiabilitat i alta eficiència, fent-lo el millor sistema de energía mecànica del futur. El principal problema que té es el de ser incapaç d’igualar la demanda del motor i la seva nominal, tant a l’inici com durant el procés de treball. A l’arrancada el motor arriba a acceleracions del 150-200% de la màxima velocitat en fraccions de segon, la qual cosa pot produir danys. Simultàniament i com a conseqüència el corrent nominal arriba a valors de 8 a 10 vegades l’intensitat nominal causant problemes d’estabilitat. Quant el motor està treballant a baixa càrrega durant períodes llargs, l’eficiència del motor cau molt ràpidament a una situació de sobre flux elèctric. A un corrent determinat, aquest flux elèctric sol estar fix i implica entre el 30 i el 50% de la pèrdua total del motor 1.2.-Principi de funcionament del nou arrencador L’arrencador que es proposa, denominat POWERBOSS, permet una selecció de rampes que controlen l’acceleració del motor i controla a la vegada l’energia, sense fer aparèixer distorsions dels armónics com fan els inverters. Hi ha un gran nombre de problemes associats a les arrancades i aturades dels motors d’inducció i que poden generar problemes seriosos. POWERBOSS té la capacitat única de canviar la forma de l’ona de tensió aplicada, reduint l’impacte de pèrdues associades als motors d’inducció. L’arrencador provoca variacions infinitesimals en el terminal del motor que li permeten controlar la tensió. Una de les característiques es que permet passar ràpidament de OFF a ON, quedant a ON fins que el corrent que passa per la unitat queda a 0 a la fi de cada mig cicle.

28

Controlant aquest punt relatiu al voltatge en el punt zero de cada mig cicle d’entrada, es possible regular el flux de corrent a través del motor. Quant més a prop del punt final del cicle es realitza la connexió, més petit serà el valor del corrent que fluirà. Contràriament quant més a prop sia aquest punt a l’inici del cicle, més gran serà el valor del corrent. Utilitzant aquest principi, POWERBOSS pot ajustar de forma continua el voltatge de les terminals del motor a través d’un acurat control dels punts de connexió esmentats. Això permet optimitzar un voltatge suficient que deriva en una optimització d’acceleració en el moment de cada càrrega. D’aquesta manera, començant amb un retard respecte al punt d’arrancada en cada mig cicle i sent progressivament reduït per un període, el voltatge que s’aplica al motor, comença des d’un valor baix fins arribar de forma progressiva a un voltatge màxim. Com vulgui que el parell del motor es proporcional al quadrat del voltatge, el parell d’arrencada augmenta assegurant una arrancada suau tant pel motor com per la càrrega demandada. Aquest control continuat s’aplica al motor mitjançant un microprocessador. El control de fases del diode permet variar el voltatge del terminal en front dels canvis de càrrega. Reduint el voltatge del terminal d’un motor per diferents càrregues, es redueix la saturació magnètica i les pèrdues de les aletes de coure que estan girant, augmentant així l’eficiència del motor i reduint el cost elèctric. Qualsevol variació de càrrega es automàticament compensada mitjançant canvis a la sortida de l’arrencador per satisfer la nova circumstància. 1.3.-Criteris d’aplicació i limitacions L’aplicació d’aquest nou arrencador POWERBOSS, pot fer-se tant en instal·lacions noves, com penjant-lo en sèrie d’un arrencador ja existent: estrella-triangle o directe, no existint cap tipus de limitació en el seu ús que no sigui la potencia. Hi ha equips per treballar en motors de tres fases:

• 220 V fins a 315 kW • 380-440 V fins a 630 kW • 690 V fins a 950 kW

Existeix també un equip dissenyat per treballar amb motors d’una fase 220 V, amb la potencia limitada a 3 kW

29

Hi ha unes aplicacions en las que l’ús del POWERBOSS es molt eficaç:

• Motors de potència superior als 15 kW i acoblats a màquines amb alt parell resistent d’arrencada: ventiladors, despastilladors,

• Motors que treballen molt temps a una potencia del 50% de la nominal • Motors acoblats a equips o processos que no permeten baixar la

velocitat • Motors que treballen acoblats a màquines amb arrencades i aturades

sovint L’estalvi d’energia elèctrica depèn fonamentalment del punt de treball de cada motor, del nombre d’arrencades i de les variacions de càrrega. A menor càrrega l’arrencador estalvia més energia ja que situa el motor en una eficiència propera al 100%. En les arrencades i aturades, permet consumir menys energia al moderar les puntes. En les variacions de càrrega aconsegueix tornar a situar el motor en eficiències més altes. De forma resumida pot indicar-se que aquest arrencador permet optimitzar el funcionament dels motors, quan no cal variar la velocitat. A més pel principi de funcionament i correcció, millora el Factor de Potència. 1.4.-Anàlisi de viabilitat S’adjunten les mesures fetes sobre un motor en un cas concret. Hi ha una pàgina amb el comentari dels resultats assolits sobre un paràmetre de funcionament i en la següent la gràfica de treball del motor referent a l’esmentat paràmetre. En aquest cas, es tracta del motor d’un triturador de retall de 110 kW nominals, mesurant el consum energètic s’assoleixen: Inversió POWERBOSS 4.000 Euros • Sense POWERBOSS 31,5 kWh/h = 241.920 kWh/any • Amb POWERBOSS 27,0 kWh/h = 207.360 kWh/any

ESTALVI 34.560 kWh/any ESTALVI ECONÓMIC 2.074 Euros/any • Cost d’explotació No hi ha cost aiditiu

RETORN INVERSIÓ 2 anys RETORN REAL <1 any

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

2.-Aplicació dels reguladors de velocitat en l’accionament de remenadors 2.1.-Concepte de la proposta Es ben coneguda la aplicació de convertidors de freqüència per controlar el funcionament dels motors d’inducció. Aquesta aplicació encara genera més avantatges quan el motor es troba acoblat a un equip que permet guanys extra variant la velocitat de gir. El procés paperer necessita poder emmagatzemar la matèria primera, pasta de paper en suspensió en aigua, dins de tancs per poder homogeneïtzar les característiques i disposar a més d’estocs per fer front a avaries i aturades del procés. Aquest tancs per la pròpia naturalesa de la suspensió de pasta, requereix mantenir-se en constant agitació per evitar que si produeixi decantació i separació. Els remenadors que s’empren estan formats per:

• Motor elèctric • Accionament bé per politges, bé per un reductor, que connecten el motor

amb l’eix de l’hèlix. • Hèlix marina dins del tanc

L’hèlix al girar dins del tanc de pasta genera un efecte de bombejament, creant un desplaçament del líquid que evita el que es produeixi cap tipus de separació. Per tant el consum energètic de l’hèlix bé donat, com en el cas de les bombes centrífugues, per la velocitat de gir segons la relació fonamental:

Potencia1 x velocitat23 = Potencia2 x Velocitat1

3

Això vol dir que quant es produeix una variació de velocitat, afecta en el cub de la potencia consumida. Naturalment aquest funcionament físic del remenador albira força possibilitats de reducció en el consum energètic:

• Ajustar la velocitat de gir a les condicions de la pasta emmagatzemada dins del tanc: si la concentració es més gran cal més velocitat per agitar correctament la pasta i si es més baixa no cal tanta velocitat.

41

• Ajustar la velocitat de gir al treball del tanc: no cal la mateixa agitació en un tanc que serveix de magatzem que en un tanc on si barregen diferents tipus de pasta o aditius.

• Ajustar la velocitat de gir segons l’alçada de pasta dins del tanc, fins a aturar-lo quan el nivell es molt baix evitant els esquitxos i la cavitació de l’hèlix que la malmet mecànicament.

2.2.-Principi de funcionament El funcionament del motor d’accionament del remenador d’un tanc per pasta de paper, engloba les següents estratègies:

• Ajustar manualment la velocitat màxima de gir d’acord amb les característiques d’agitació del tanc i del remenador.

• Ajustar la velocitat de gir amb l’alçada, el nivell, del tanc, servint-se del control de nivell.

• Aturar completament l’agitació quan s’arriba a un nivell que no cobreixi l’hèlix, evitant fenòmens de cavitació que malmetrien el remenador

• Aturar completament l’agitació quan s’atura la bomba d’extracció del tanc

• Arrencar seqüencialment el remenador quan s’arrenca la bomba d’extracció

• Ajustar la rampa d’arrencada del motor per evitar puntes de consum i sobre esforç mecànic.

Aquestes estratègies cal incloure-les dins del sistema de control, bé sigui un PLC o un sistema de Control Distribuït o Compartit. 2.3.-Criteris d’aplicació i limitacions Inicialment no hi cap limitació en l’aplicació de reguladors de velocitat en motors d’accionament de remenadors. Naturalment seran molt més eficaç aplicar aquesta tecnologia a tancs de gran dimensió, per tant amb remenadors de més gran potencia, en tancs que variïn força de nivell i/o que romanen aturats per períodes de temps llarg.

42

2.4.-Anàlisi de viabilitat L’aplicació s’ha fet en un tanc de les característiques següents:

• Tanc Descàrrega d’un pulper discontinu • Material del tanc Acer inoxidable • Dimensions 5 m de diàmetre x 9,5 m d’alçada • Capacitat útil 175 m3 • Concentració 4-6 %

Les característiques del remenador:

• Diàmetre de l’hèlix 1.500 mm • Potencia del motor 90 kW • Velocitat de gir del motor 980 rpm • Velocitat de gir del remenador 210 rpm

Estratègia aplicada: • ARRENCADA Ajust de la rampa a màxim 270 A • VELOCITAT MAXIMA DE GIR A nivell màxim del tanc s’ha vist que

amb una velocitat de gir del remenador de 170 rpm l’agitació era suficient. • RELACIO VELOCITAT DE GIR/ALÇADA

Nivell 100%-70% 170 rpm Nivell 70%-30% 170-80 rpm

Nivell 30%-0% 80-0 rpm • ATURADA DE LA BOMBA ATURADA del remenador • ARRENCADA SEQÜENCIAL Estant el remenador aturat, la

seqüència d’arrencada de la bomba d’extracció es la següent: 1. ARRENCADA del remenador fins a VELOCITAT 2. AGITACIÓ durant 30 segons 3. ARRENCADA de la bomba

RESULTATS: Per tal d’avaluar l’aplicació d’aquesta tecnologia, abans del muntatge del regulador de velocitat i de la nova estratègia de funcionament, va procedir-se a muntar un comptador elèctric per conèixer el consum energètic inicial. Posteriorment al muntatge va comprovar-se amb el mateix comptador els resultats assolits

43

• Consum energètic inicial 1008 kWh/dia • Consum obtingut amb l’aplicació 662 kWh/dia • ESTALVI ENERGÈTIC 346 kWh/dia • ESTALVI ECONÒMIC 20,76 Euros/dia • Inversió 6.200 Euros • RETORN DE LA INVERSIÓ 299 dies

En aquest cas l’aplicació del control de velocitat sobre el motor del remenador, no tan sols no ha significat cap augment en els costos d’explotació, si no que l’experiència a demostrat que el funcionament més suau i a una velocitat més baixa, està allargant els períodes de manteniment i les intervencions habituals de revisió i reparació.

44

3.-Aplicació de reguladors de velocitat en l’accionament de pulpers 3.1.-Concepte de la proposta En línies generals el concepte d’aquesta proposta es similar a la ja esmentada per remenadors, amb la diferència de l’equip accionat. El pulper es l’equip que inicia el procés paperer ja que posa en suspensió amb aigua la matèria primera: pasta ó retall, per poder transportar-la per la fàbrica mitjançant bombejament. Es un equip format per un agitador de grans dimensions i alta potencia, dins d’un tanc dissenyat per augmentar l’eficàcia de l’agitació i permetre amb el temps més curt aconseguir dispersar en aigua les fibres. Com en el cas dels remenadors de pasta, regular la velocitat de gir de l’hèlix permet assolir estalvis energètics. De manera general poden treballar bé en continu, bé en discontinu i poden pastar a concentracions del 15% ó del 6-7% de sòlids. L’aplicació es molt mes eficaç en els pulpers discontinus i que pasten al 15%, si bé també pot ser aplicada pels altres tipus de pulper. El treball de dispersió d’un pulper discontinu es du a terme en les etapes següents:

1. Etapa de “mullat” de la matèria primera introduïda en forma de fulls secs, al 90% de sòlids, fins a rebaixar la concentració fins a la de pastat, que depèn del tipus de pulper 15 ó 6-7% de sòlids. Aquesta etapa requereix la aplicació de gran potencia per “trencar” els paquets de materia primera i augmentar la superfície específica fent més efectiu el mullat

2. Etapa de desfibrat, en la qual la pasta ja mullada va separant de forma individual les fibres de cel·lulosa que la formen. Aquesta etapa requereix menys potencia.

3. Etapa de dilució, en la qual la concentració dins del tanc es rebaixa fins a valors que permetin el bombejament de la pasta, aproximadament 4-5% de sòlids. Aquesta etapa requereix molt baixa potencia.

4. Etapa de descarrega, en la que la bomba d’extracció buida el contingut del pulper i en la que l’acció de l’hèlix pot dificultar el treball de la bomba degut a que trenca la làmina de líquid i fa entrar aire dins la bomba.

45

Naturalment com en el cas dels remenadors, aquestes etapes de funcionament permeten fer una optimització del funcionament, treballant sobre els següents punts de funcionament:

• Ajustar l’arrencada per suavitzar-la i evitar les puntes de consum • Ajustar les velocitats de gir en cadascuna de les etapes indicades

3.2.-Principi de funcionament El funcionament del motor d’accionament d’un pulper, amb la incorporació de regulació de velocitat, permet establir les estratègies següents, dirigides a l’estalvi energètic:

• Fixar una rampa d’arrencada del motor que eviti les puntes de consum a l’inici del treball

• Ajustar la màxima velocitat de gir i el temps de durada de la etapa de “mullat” inicial

• Ajustar la velocitat de gir i el temps de durada de la etapa de desfibrat • Ajustar la velocitat de gir en la etapa de dilució per tal de evitar l’efecte

de trencament de làmina durant la descarrega. Naturalment aquestes estratègies cal incloure-les en un PLC o dins del Sistema de Control Distribuït o Compartit de la fàbrica. 3.3.-Criteris d’aplicació i limitacions Com en cas dels remenadors no hi ha cap limitació en l’aplicació d’aquesta tecnologia, ja que es disposen de variadors de freqüència per totes les potencies de motors d’inducció. Naturalment i tal com ja hem fet esment, l’aplicació serà molt mes rendible per pulpers de Alta Consistència i treball en discontinu i especialment quan siguin de gran capacitat.

46

3.4.-Anàlisi de viabilitat L’aplicació s’ha fet en una màquina que fa servir Pasta de Cel·lulosa com a matèria primera i la posa en suspensió en un pulper d’alta consistència, discontinu. Aquesta fàbrica fa servir aquest tipus de pulper degut a que en ocasions ha de reciclar retall propi resistent en humit Les característiques del pulper son:

• Tipus Alta Consistència, treball discontinu • Tamany 9 m3 • Model Escher-Wyss ST-7 • Dilució Fins al 5% en la propi tanc • Motor 200 kW • Velocitat de gir de l’hèlix 200 rpm

ESTRATEGIA APLICADA: ARRENCADA: Limitada la intensitat fins a 450 A per evitar les puntes pròpies de l’operació. VELOCITAT DE GIR DURANT L’ETAPA DE MULLAT: Ajustada a 175 rpm s’ha comprovat que es suficient per fer el treball requerit TEMPS DE DURADA DE L’ETAPA DE MULLAT: Ajustat a 4 minuts, comprovant-se que es suficient VELOCITAT DE GIR DURANT EL DESFIBRAT: Ajustada a 150 rpm TEMPS DE DURADA DE L’ETAPA DE DESFIBRAT: Ajustat a 12 minuts VELOCITAT DE GIR DURANT LA DESCARREGA: Ajustada a 40 rpm, comprovant-se que a més de ser suficient, el temps de descàrrega s’ha rebaixat de 10 minuts a 6 minuts.

47

RESULTATS: Com en el cas dels remenadors va instal.lar-se un comptador elèctric el qual va permetre l’avaluació següent

• Consum energètic inicial 3.080 kWh/dia • Consum obtingut amb l’aplicació 2.156 kWh/dia • ESTALVI 924 kWh/dia • ESTALVI ECONÓMIC 55,4 Euros/día • Inversió 16.200Euros • RETORNS DE LA INVERSIÓ 292 dies

L’experiència està donant un resultat similar al que s’assoleix en els remenadors: no tan sols no hi ha un augment dels costos d’explotació, si no que a més han disminuït els costos de manteniment i reparació del reductor de velocitat que incorpora l’accionament del pulper.

48

4.-Aplicació dels reguladors de velocitat en l’accionament de bombes de buit 4.1.-Concepte de la proposta La indústria paperera empra bombes de buit d’anell líquid per alimentar els sistemes que requereixen aquest fluid. Aquest tipus de bomba te una corba característica típica, com l’adjunta

49

El cabal aspirat depèn de la velocitat de gir, tal com es fa avinent. Hi ha punts del procés paperer on no cal disposar sempre del màxim buit = màxima velocitat de gir = màxima potencia. Alguns d’aquest punts son: les caixes aspirants de la taula quan es fabriquen diferents gramatges de paper: pels gruixuts cal menys buit que per els prims, el buit necessari pel condicionat de feltres també depèn de la velocitat de la màquina i probablement també pot ajustar-se el cabal de buit en d’altres llocs quan es modifica la velocitat de la màquina. Per això el disposar d’un regulador en el motor d’accionament de la bomba de buit, a més de fer més suau l’arrencada, permet estalviar energia ajustant el cabal de buit en cada moment al punt més adient. En molts casos es normal obrir a l’atmosfera la instal·lació de buit si el valor que s’assoleix es massa elevat i si amés aquest buit elevat genera d’altres problemes: patinatge de la tela damunt la taula, excés de consum dels motors d’accionament de feltre o teles per l’acció del buit excessiu i d’altres. 4.2.-Principi de funcionament El aplicar un regulador de velocitat al motor d’inducció que acciona una bomba de buit d’anell líquid, permet aplicar estratègies de control i funcionament que permeten un estalvi energètic a més de una aplicació mes eficaç del buit. Els controls que s’apliquen son els següents:

• Fixar una rampa d’arrencada que permeti controlar les puntes de consum que genera aquesta operació. Cal recordar que les bombes de buit d’anell líquid fan girar un rotor format per paletes submergides en aigua, l’anell líquid, i que requereix un consum energètic considerable per arrencar.

• Ajustar el nivell de buit fent variar la velocitat de gir de la bomba. Aixó pot fer-se de manera automàtica instal.lant un llaç de regulació de pressió o bé de forma manual.

4.3.-Criteris d’aplicació i limitacions Inicialment no hi ha cap limitació a la aplicació d’aquesta tecnologia i l’única limitació vindrà donada per la rendibilitat, en la que hi influirà:

• La grandària de la bomba • Les variacions de buit en el punt d’aplicació

50

4.4.-Anàlisi de viabilitat L’aplicació feta sobre una màquina que produeix paper blanc per impressió i escriptura, ha aconseguit els resultats següents:

• Rang de gramatges 40-180 g/m2 • Amplade neta 3,3 m • Punt d’aplicació Caixes Aspirants de la taula

51

Quant la màquina produeix gramatges gruixuts, per damunt de 80 g/m2, el nivell de buit en el col·lector de buit de les caixes aspirants de la tela augmenta, requerint un augment de potencia dels motors de tracció de la tela, fins arribar a produir patinatge de la tela i en casos extrems fins a la aturada total. En aquests moments el que feia la fàbrica era obrir un escapament a l’atmosfera, per baixar el nivell de buit del col·lector. Com pot veure’s en la corba característica de la bomba de buit instal.lada, el succeeix al anar augmentant el gramatge, es que la pèrdua de porositat del conjunt paper+tela, fa que la bomba girant a 590 rpm augmenti el nivell de buit de 225 mm de Hg fins a 330 mm Hg, passant del punt de treball 1 al punt 2. Això a més del augment de resistència al frec damunt la taula per causa del augment de nivell de buit i que es correspon amb un increment de la potencia del motors d’accionament de la tela, comporta un augment del consum energètic de la bomba, tal com queda clar en la part inferior de la corba, passant el consum de la bomba de 80 HP a 90 HP. Al aplicar el control de velocitat, el que s’aconsegueix reduint la velocitat de gir de la bomba, es passar a mantenir el mateix nivell de buit, baixant al cabal aspirat el qual passa de 60 m3/min a 44 m3/min, segons queda dibuixat en la corba característica de la bomba. RESULTATS:

• Inversió 6.300 Euros Naturalment l’estalvi depèn del nombre de dies/any en que es produeixi paper gruixut i això ho fa difícil de avaluar. La fàbrica ha fet una avaluació d’aquesta millora i estima que el periode de retorn de la inversió es inferior a 1 any, d’acord amb les dades de consum elèctric de la màquina de producció de paper. D’altra banda s’ha produït una disminució dels costos de manteniment de la bomba de buit degut a al fet de treballar a més baixa velocitat, allargant-se la vida útil dels rodaments.

52

5.-Assecat amb cilindres escalfats amb vapor d’aigua 5.1.-Concepte de la proposta L’assecat convencional amb cilindres s’utilitza pràcticament en totes les màquines de fabricació de paper. Hi ha alguns papers molt especials: filtres, súper absorbents i d’altres que s’assequen per d’altres sistemes: aire calent, infraroig, etc. Un cilindre assecador com és ben conegut, és un cilindre, generalment de fosa gris, escalfat interiorment amb vapor d’aigua i del que s’extreu el condensat que si forma, de manera continua. Per aquest efecte, la superfície s’escalfa i el full de paper, en contacte amb ella, rep aquesta energia tèrmica, s’escalfa i evapora l’aigua continguda. Podem considerar aquest procés com una sèrie de cicles separats i repetitius, el nombre dels quals serà igual que el dels cilindres. En cada cicle hi ha un assecat per conducció quant el full és en contacte amb el cilindre, i un assecat per convecció quant el full es troba lliure entre dos cilindres. De forma resumida cada cicle pot descompondre’s en les etapes següents: -El full de paper entra dins de la sequería i abans de posar-se en contacte amb el cilindre s’escalfa, ja que la temperatura dins de la sequería és més alta. Un cop en contacte amb el cilindre hi ha una capa d’aire que se situa entre el full i el cilindre. Aquesta capa desapareixerà tan sols si la tensió del paper és suficientment alta. -Desprès el feltre premsa el full contra el cilindre. Aquí la tensió del feltre és important ja que ha de ser capaç d’eliminar la capa d’aire i a la vegada millorar el contacte paper cilindre i la transferència de calor. També la tensió del feltre influeix en les característiques del paper ja que segons la tensió permetrà un encongiment més ó menys important. En aquesta etapa la temperatura del full augmenta molt ràpidament i arriba fins a la temperatura de vaporització, sent-li transferida la major quantitat de calor. La transferència es troba tan sols limitada pel feltre i pel fet que es fa tan sols sobre un costat del paper. -En l’etapa següent el full encara en contacte amb el cilindre i sense la pressió del feltre, evapora més fàcilment l’aigua continguda. En aquesta etapa la temperatura del full baixa degut a l’evaporació i al menor contacte. -A la sortida del cilindre l’efecte d’aquest està acabat, però el full pot evaporar amb més facilitat l’aigua per cada costat abans de trobar-se amb el cilindre següent. És important que en aquesta etapa, l’evaporació sigui molt elevada per aconseguir baixar al màxim la temperatura del full i així fer més eficaç l’efecte del cilindre següent. Per ajudar a aconseguir-ho és molt important tenir

53

unes condicions climàtiques dins la bateria amb una pressió parcial de vapor baixa. Com pot deduir-se del que hem esmentat, a mesura que el full de paper és seca, la seva capacitat d’acumular calor, és més petita. En enginyeria paperera s’empra com a dada comparativa de l’eficàcia d’una batería el Ratio d’evaporació, que es defineix com la quantitat d’aigua evaporada per hora i per metre quadrat d’assecador. Aquest Ratio es veu afectat per diferents paràmetres: -Sequetat d’entrada, (si augmenta la sequetat, disminueix el Ratio) -Gramatge, (si augmenta el gramatge, disminueix el Ratio) -L’espessor, (igual que en el cas del gramatge) -Pressió de vapor, (si augmenta, també augmenta el Ratio) -Tensió del feltre, (igual que en el cas de la pressió de vapor) -Refinat de la pasta, (si augmenta el refinat, disminueix el Ratio) -Condicions climàtiques dins la bateria. -El circuit d’alimentació de vapor i extracció de condensats Alguns d’aquests paràmetres no poden ser modificats, ja que formen part de les necessitats pròpies del paper, d’altres estan limitats per la màquina: pressió de vapor de la caldera, pressió de timbre dels assecadors, etc. Pot concloure’s que per millorar el procés, tan sols és pot optimitzar els circuits de vapor i condensats i les condicions climàtiques de la bateria. Estudiem també de forma resumida el procés d’escalfament del cilindre. Les resistències que s’oposen a la transmissió del calor cedit pel vapor d’aigua al condensar dins del cilindre són: -Presència de incondensables i/o vapor rescalfat -Pel·lícula de condensat en la paret interna del cilindre -Capa d’òxid i potser d’oli en la paret interna -Paret metàl·lica del cilindre -Pel·lícula d’aire entre la capa externa i el full -El full de paper Alguna d’aquestes resistències no són modificables com la pared metàl.lica del cilindre, les característiques del full de paper. D’altres depenen de la tensió del feltre ó de la condició del propi cilindre. Podem incidir en la presència d’incondensables i en la pel·lícula de condensat. La presència de incondensables dificulta la transmissió de calor, ja que es situen sobre la paret interna del cilindre, creant una capa de gas a través de la

54

qual te que transmetre’s l’escalfor. També generen diferència de temperatura al ample del cilindre. Aquesta mateixa situació es provoca quant el vapor és rescalfat. Aquesta classe de vapor es comporta, des del punt de vista del intercanvi tèrmic, com un gas, naturalment amb un coeficient d’intercanvi molt més baix que el del vapor saturat. Naturalment la millor eficàcia d’un assecat amb cilindres s’aconsegueix quant el Ratio d’evaporació és alt i la quantitat d’energia tèrmica emprada és baixa. Es el mateix que alt Ratio d’evaporació i alt Coeficient de transmissió de calor. La quantitat total de calor, en forma de vapor d’aigua requerida per una bateria d’assecat, pot calcular-se a partir de la equació bàsica de transferència tèrmica: Calor transferit(kcal/h) = Superficie(m2) x Coeficient de transferència(kcal/h*m2*ºC) x Diferencia de temperatura(ºC) Normalment l’enginyeria paperera empra aquesta equació pel dimensionat de les instal·lacions de vapor i condensats. Naturalment pot ser emprada per determinar el Coeficient de transferència en cada cas i poder així analitzar i avaluar el seu funcionament. Com en el cas del Ratio d’evaporació, també el Coeficient de transferència, depèn de cada tipus de paper i de la composició de la sequeria de la màquina. Les màquines que tenen processos especials dins de la sequeria: Satinat, Size-press, Estucat, Calandrat, etc., tenen requeriments específics de sequetat a l’entrada d’ells ó bé aporten quantitats d’aigua que cal evaporar, o en alguns casos disposen de sistemes de assecat específics els quals eixuguen part de l’aigua. 5.2.-Principi de funcionament Vist tot l’esmentat fins ara, s’ha estudiat el fer un eina que permeti determinar el Coeficient de transferència de un grup de cilindres assecadors, per detectar mal funcionament i avaluar l’estalvi de vapor posible S’adjunta el full de càlcul següent: :

55

ICAEN Coeficient transferència sequeriaempresa: data: estudi: referència:

concepte unitat Valor DADES: gramatge g/m2 ample m velocitat m/min humitat final % Sequetat entrada % Sequetat sortida % Pressió de vapor kg/cm2 Assecadors tipus A nombre Diàmetre tipus A m Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Asseca fel nombre Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h -Aigua evaporada kg/h #¡DIV/0! Superfície d'assecat m2 -RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 #¡DIV/0! COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC #¡DIV/0!

El qual permet calcular a més de la Producció horària, l’Aigua Evaporada i la Superfície d’assecat, el Ratio d’evaporació i el Coeficient de transferència d’un grup d’assecadors o d’una bateria. Les dades a introduir són les següents: -Gramatge. Tenir en compte que en el cas del paper estucat, cal descomptar el pes d’estucat. -Ample a l’enrotllador (pope)

56

-Velocitat de l’enrotllador -Humitat final a l’enrotllador -Sequetat d’entrada al grup d’assecadors ó bateria -Sequetat de sortida del grup estudiat -Pressió del vapor d’alimentació als assecadors. -Nombre i diàmetre de assecadors. S’han previst fins 3 diàmetres diferents A,B i C. -Assecafeltres. Si bé és un equip en desús avui, potser que hi hagi màquines que en tinguin instal·lats. A la fí del full de càlcul hi ha un llistat dels Coeficients de transferència usuals per tipus de paper per tal de poder comparar els resultats obtinguts.

COEFICIENTS DE TRANSFERÈNCIA

tipus de paper Coeficient usual

(kcal/hm2ºC) Papers fins (gramatge <40 g/m2) 220 245Kraft-liner i sacs 210 240Impressió i escriptura 240 265Per ondular

190 220

Cartonet (gramatge 250 a 500 g/m2) 120 150Cartó (gramatge > 700 g/m2) 100 120

Com pot veure’s hi ha indicats dos valors: l’un mínim que cal entendre com el límit més petit i l’altre, més gran que cal prendre com a valor bo. Fem un exemple per veure l’utilització del full de càlcul. És tracta d’una màquina de fabricació de paper per impressió-escriptura, fabricant paper tractat en Size-press d’un gramatge total de 50 g/m2 i volem analitzar el funcionament de la presequería, formada per 26 cilindres assecadors de 1,5 m de diàmetre i que són alimentats a 3,5 bar de pressió de vapor. La capa aplicada en la Size-press és de 1g/m2 per cara, per tan el gramatge de paper en la presequería és de: 50 – (1+1) = 48 g/m2. La sequetat a l’entrada de la presequería es correspon amb la de sortida de la última premsa, sent del 45%.A la sortida de la presequeria, hem de obtenir una humitat màxima del 4%, que significa una sequetat del 96%.

57

El full ens calcula el següent: ICAEN Coeficient transferència sequeriaEmpresa: PAPERERA SANT JORDI data: 2005Estudi: Presequeria referència: 125

Concepte unitat Valor DADES: Gramatge g/m2 48,00 Ample m 3,30 Velocitat m/min 705,00 Humitat final % 5,50 Sequetat entrada % 45,00 Sequetat sortida % 96,00 Pressió de vapor kg/cm2 3,50 Assecadors tipus A nombre 26,00 Diàmetre tipus A m 1,50 Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Assecafel nombre Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h 6.700,32 Aigua evaporada kg/h 7.475,04 Superfície d'assecat m2 404,32 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 18,49 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC 196,85

Producció 6.700 kg/h Aigua evaporada 7.475 kg/h Superfície d’assecat 404 m2 RATIO D’EVAPORACIÓ 18,5 kg aigua/h*m2 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA 197 kcal/h*m2*ºC En aquest cas, el Coeficient de transferència es troba per sota del mínim senyalat de 240, el que ens demostra que hi ha un funcionament defectuós del

58

sistema, per tant caldrà revisar el funcionament d’aquesta part de la màquina per determinar quin és el problema que produeix el baix coeficient. Si utilitzem el mateix full de càlcul per simular unes condicions de treball millors, és a dir, si anem disminuint la Pressió de vapor utilitzada, arribem a: ICAEN Coeficient transferència sequeria Empresa: PAPERERA SANT JORDI data: 1999estudi: Presequeria referència: 125

Concepte unitat Valor DADES: Gramatge g/m2 48,00 Ample m 3,30 Velocitat m/min 705,00 humitat final % 5,50 Sequetat entrada % 45,00 Sequetat sortida % 96,00 Pressió de vapor kg/cm2 1,50 Assecadors tipus A nombre 26,00 Diàmetre tipus A m 1,50 Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Assecafel nombre Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h 6.700,32 Aigua evaporada kg/h 7.475,04 Superfície d'assecat m2 404,32 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 18,49 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC 265,50

Obtenir un Coeficient de transferència de 265, treballant a una Pressió de vapor de 1,5 bar. En el mateix full hi ha un apartat que ens permet calcular l’estalvi de vapor teòric que significa aquesta nova situació.

59

ESTALVI DE VAPOR Concepte unitat Valor Pressió de Vapor ACTUAL kg/cm2 3,50 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 18,49 COEFICIENT DE TRANSMISSIÓ ACTUAL kcal/h*m2*ºC 196,85 Pressió de Vapor FUTURA kg/cm2 1,50 COEFICIENT DE TRANSMISSIÓ FUTUR kcal/h*m2*ºC 265,50 ESTALVI DE VAPOR % 2,03

Aquesta seria l’aplicació directa del full, ja que en aquest cas només cal evaporar l’aigua que hi ha en el full de paper. En el cas de que hi hagi algun procés dins de la bateria d’assecat que bé mulli el full o l’assequi, caldrà incorporar aquesta quantitat d’aigua dins del procés d’assecat, sumant o restant segons convingui. No obstant això, pot emprar-se el full de càlcul directament per estudiar i avaluar l’efecte de qualsevol variació en el funcionament de la bateria d’assecat: augment de la pressió diferencial, canvi de posició i/o de tipus de sifó, etc. Una aplicació del full, d’acord amb l’indicat en el paràgraf anterior és en els Cilindres Yankee de les màquines de producció de paper tissue. En aquestes màquines, degut a que per el baix gramatge del paper, l’assecat queda limitat a un sol cilindre de grans dimensions, l’efecte de la campana és molt important. Segons les condicions, la campana que se’n diu d’Alt Rendiment, pot assolir fins el 60% de l’assecat total. Si utilitzem el full de càlcul, obtindrem uns valors molt grans, però que poden fer-se servir per comparar condicions diferents d’operació i/o modificacions. 5.3.-Criteris d’aplicació i limitacions Tal com hem fet esment, el full pot emprar-se en qualsevol màquina de fabricació de paper, sempre que tingui un grup de cilindres assecadors. Un altre aspecte diferent a tenir en compte, es buscar l’origen del problema que pot presentar un grup de cilindres assecadors i resoldre’l de la forma més eficaç. Es per això que a continuació es trameten les consideracions següents:

60

El problema més normal que hi ha en els cilindres assecadors i que genera Coeficients de transferència baixos, és la presència d’aigua condensada en l’interior. Quan es produeix aquesta situació, hi ha uns símptomes que poden ser detectats: -Augmenta la potència d’accionament necessària del grup. Cal fer girar també l’aigua acumulada a l’interior -Es produeix una oscil·lació repetitiva en la potència demandada per l’accionament, ja que l’aigua acumulada actua com una lleva . -Si mesurem la temperatura superficial dels assecadors, detectarem baixa temperatura i a la vegada gran diferència entre els assecadors inferiors i superiors. Generalment la temperatura superficial d’un assecador està entre 15º i 20º C més baixa que la del vapor saturat a la pressió de treball. La diferència de temperatura entre els assecadors superiors i inferiors ve donada per la zona on podem fer les mesures: en els superiors mesurem per la part inferior, lloc on s’hi acumula l’aigua amb prioritat i per tant hi trobem més baixa temperatura. Les causes més habituals, origen de problemes en l’extracció de condensats són: -Adequació del sifó a les velocitats i condicions de la màquina. -Distància del sifó a la paret. Té una relació directa amb l’espessor del film de condensats. Es recomana < 3 mm. -Junta rotativa ben dimensionada i dins d’un programa de manteniment constant per detectar un curt circuit entre l’entrada de vapor i la sortida de condensats. -Control de la pressió diferencial entre la entrada de vapor i la sortida de condensats acurat. Cal disposar de tubs de connexió de manòmetres en la pròpia caixa de vapor per control. Si la pressió diferencial és: Baixa no hi ha extracció de condensats.

Alta pot bloquejar-se el sistema per gran quantitat de vapor bufat.

-Instal·lar purgadors i eliminadors d’aire i incondensables, així com purgues atmosfèriques per eliminar-los.

61

Per millorar el rendiment de l’assecat, cal controlar les condicions climàtiques dins de la bateria. Quan l’aire dins de la batería es satura en vapor d’aigua, no es produeix evaporació. És una transferència de massa que actúa simultàniament que l’assecat per conducció. Per bateries: OBERTES: mantenir una temperatura interior de 50/60ºC TANCADES: mantenir una temperatura interior de 70/75ºC Ambdós casos la humitat relativa del aire no deu ser més gran que el 50%. Finalment i com una tecnologia emprada darrerament, hi ha l’ús de Barres de Turbulència (Spoiler-barr) dins dels cilindres assecadors. Aquestes barres, muntades radialment, trenquen la pel·lícula de condensats, provocant una turbulència que millora la transferència de calor. És interessant instal·lar-les quant la velocitat de treball, suposat que tinguem assecadors de 1,5 m., de diàmetre, estigui per damunt dels 350 m/min i el Ratio d’evaporació és alt, ja que en aquestes condicions, l’anell de condensats s’estabilitza a baixa velocitat i genera una pel·lícula de condensat constant en gruix que dificulta la transmissió. S’adjunta una imatge de les barres de turbulència emprades dins dels assecadors.

62

5.4.-Anàlisi de viabilitat Com pot veure’s quan es detecta un mal funcionament d’un grup de cilindres assecadors, hi ha força tecnologies diferents que poden aplicar-se per millorar el seu funcionament. Una de les possibles tecnologies aplicables, pot veure’s en l’exemple següent:

• Tipus de paper Cartó gris 100% reciclat • Rang de gramatge 250-450 g/m2 • Amplada de paper 2,2 m • Gramatge d’assaig 320 g/m2 • Velocitat de treball 29 m/min • Sòlids entrada assecat 41 % • Sòlids sortida assecat 93 % • Cilindres assecadors, nombre 12 • Cilindres assecadors diàmetre 1,5 m • Pressió de treball 4,6 bar

COEFICIENTS DE TRANSFERÈNCIA tipus de paper Ceoficient usual (kcal/hm2ºC) Papers fins (gramatge <40 g/m2) 220 245 Kraft-liner i sacs 210 240 Impressió i escriptura 240 265 Per ondular 190 220 Cartonet (gramatge 250 a 500 g/m2) 120 150 Cartó (gramatge > 700 g/m2) 100 120 Com podem veure, el valor de Coeficient de transferència es en la part més baixa de valors.

63

Icaen Coeficient

transferència sequeria

empresa: data: estudi: referència: concepte unitat valor DADES: gramatge g/m2 320,00 ample m 2,20 velocitat m/min 29,00 humitat final

% 7,00

Sequetat entrada % 41,00 Sequetat sortida % 93,00 Pressió de vapor kg/cm2 4,60 Assecadors tipus A nombre 12,00 Diàmetre tipus A m 1,50 Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Assecafeltres

nombre

Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h 1.224,96 Aigua evaporada kg/h 1.553,61 Superficie d'assecatge m2 124,41 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 12,49 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC 122,00

Fent servir el full com a simulador podem trobar el valor de la pressió de vapor corresponent a un Coeficient de Transferència en la part alta.

64

Icaen Coeficient transferència sequeria empresa: data: estudi: referència: concepte unitat valor DADES: gramatge g/m2 320,00 Ample m 2,20 velocitat m/min 29,00 humitat final % 7,00 Sequetat entrada % 41,00 Sequetat sortida % 93,00 Pressió de vapor kg/cm2 2,50 Assecadors tipus A nombre 12,00 Diàmetre tipus A m 1,50 Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Assecafeltres nombre Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h 1.224,96 Aigua evaporada kg/h 1.553,61 Superficie d'assecatge m2 124,41 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 12,49 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC 148,77 Arribem a la conclusió de que per obtenir un bon Coeficient de Transferència hauríem de treballar amb una pressió de 2,5 bar en lloc de 4,6 bar con actual Fent servir la darrera part del full, calculem l’estalvi teòric de vapor:

65

ESTALVI DE VAPOR

Concepte unitat Valor Pressió de Vapor ACTUAL kg/cm2 4,60 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 12,49 COEFICIENT DE TRANSMISSIÓ ACTUAL kcal/h*m2*ºC 122,00 Pressió de Vapor FUTURA kg/cm2 2,50 COEFICIENT DE TRANSMISSIÓ FUTUR kcal/h*m2*ºC 148,77 ESTALVI DE VAPOR % 3,18 En aquest cas, la fàbrica estava consumint 2.300 kg vapor/h, i estimava un cost de vapor de 0,02 €/kg, vol dir que el cost d’assecat era de 46,00 €/h i per tant l’estalvi era de 1,46 €/h Aquesta fàbrica treballa 230 dies/any, per tant l’estalvi assolible era de 8.075,00 €/any. Analitzant el problema va veure’s que la temperatura dels cilindres era molt baixa, el que denotava la presencia d’aigua i com que el sistema d’extracció de condensats era per cullerot, va procedir-se a substituir-los per sifó fix, veure els dibuixos que s’adjunten, obtenint-se els resultats que també s’adjunten.

66

Icaen Coeficient transferència sequeria

empresa: data: estudi: referència:

Concepte unitat Valor DADES: Gramatge g/m2 320,00 Ample m 2,20 Velocitat m/min 33,00 humitat final % 7,00 Sequetat entrada % 41,00 Sequetat sortida % 93,00 Pressió de vapor kg/cm2 4,20 Assecadors tipus A nombre 12,00 Diàmetre tipus A m 1,50 Assecadors tipus B nombre Diàmetre tipus B m Assecadors tipus C nombre Diàmetre tipus C m Assecafeltres nombre Diàmetre assecafeltres m CÀLCULS: Producció kg/h 1.393,92 Aigua evaporada kg/h 1.767,90 Superficie d'assecatge m2 124,41 RATIO D'EVAPORACIÓ kg/h*m2 14,21 COEFICIENT DE TRANSFERÈNCIA kcal/h*m2*ºC 142,79

La fàbrica va decidir-se per augmentar la producció, passant dels 29 m/min de velocitat a 33 m/min, el que significa un increment de producció del 14%, no produint-se cap augment dels costos d’explotació pel canvi de sifóns. La inversió va ser de 6.000 € i per tant el període de retorn inferior a 1 any.

67

6.-Refinat separat de fibres 6.1.-Concepte de la proposta En les fàbriques de paper que empren Pasta de Cel·lulosa com a matèria primera, fan servir una barreja de Fibres Llargues i Fibres Curtes:

• Les Fibres Llargues per aconseguir característiques mecàniques: tracció, esquinçament, rebentament, etc. Tenen una llargada de 3,5 a 4 mm i un diàmetre de 25 a 35 micres

• Les Fibres Curtes per abaratir cost i millorar la formació del paper, però si es refinen adequadament també aporten característiques mecàniques. Tenen una llargada de 1,5 a 2,5 mm i un diàmetre de 12 a 25 micres.

El refinat de cadascun d’aquest tipus de fibres es diferent i requereix quantitats diferents d’energia aplicada. Pel refinat de Fibres llargues, s’utilitzen refinadors equipats amb discs amb un menor nombre de barres i girant a velocitat inferior de forma que el fan es una actuació mes enèrgica. La potencia aplicada es del ordre de 180 kWh/Tona En canvi per refinar Fibres curtes, s’utilitzen refinadors equipats amb discs amb un gran nombre de barres i girant a una velocitat superior, de forma que apliquen la energia mecànica de forma més suau. La potencia aplicada es del ordre de 120 kWh/Tona. Si el procés de refinat el fem sobre una barreja de ambdós tipus de fibra, el que passa es que degut a que la Fibra llarga es més gruixuda, li apliquem amb preferència en ella la potencia de refinat i no incidim pràcticament en la Fibra curta. Com a conseqüència augmentem les característiques mecàniques del paper gràcies a la Fibra llarga, quan també pot aconseguir-se un augment de les característiques refinant en bones condicions la Fibra curta. D’altre banda cal entendre que l’aplicació de molta potencia de refinat incideix negativament en la producció de la fàbrica, ja que les pastes mes refinades, retenen més l’aigua i això dificulta el procés de assecat . La tecnologia que es proposa de refinar les fibres per separat el que pretén es refinar cada tipus de fibra de la forma i amb els equips més adients i posteriorment fer la barreja necessària per assolir les resistències mecàniques que necessiti el paper produït

68

6.2.-Principi de funcionament La base de la tecnologia com ja ha quedat suficientment explicada consisteix en separar les fibres al inici del procés, a nivell del pulper, i a partir d’aquí muntar dues línies separades de refinat. Segons siguin d’importants les variacions de composició, poden emprar-se dues possibles solucions:

• Si hi ha poques variacions: des del tanc de pasta sense refinar, s’alimenten cadascun d’ambdós refins i després es barregen les directament els fluxos de pasta refinada.

• Si les variacions de composició son molt grans: després del refinat de cada tipus de fibra es interessant disposar en cada línia d’un tanc de pasta refinada, per en una operació posterior fer la barreja requerida.

En tot cas caldrà dimensionar cada línia per poder refinar la composició que requereixi la més gran quantitat de pasta de cada tipus, per tal de poder sempre subministrar pasta refinada en quantitat i qualitat suficient. En cadascuna de les línies de refinat i per tal de millorar la eficiència, es recomanable instal.lar-hi la instrumentació següent:

• Llaç de CONTROL DE CONSISTENCIA a la pasta que alimenta el refí, per

assegurar la concentració de la pasta a refinar • Llaç de CONTROL DE CABAL de la pasta a la sortida del refí, per poder

calcular el cabal massic de pasta refinada. • Llaç de CONTROL DE LA POTENCIA APLICADA en el refi per poder

calcular la Potencia específica aplicada • Llaç de CONTROL DEL GRAU DE REFINAT per conèixer l’acció del refí

sobre la pasta A més d’aquests llaços de control, caldrà instal.lar els llaços que permetin assegurar la composició final de pastes en tot moment i a la vegada permetre canviar les proporcions quant sigui necessari. El funcionament serà el següent en cadascuna de les línies: • A partir de les dades de CONSISTENCIA i de CABAL, el sistema de control

calcularà el CABAL MASSIC: CABAL MASSIC = CONSISTENCIA X CABAL VOLUMETRIC

• Utilitzant el CONTROL DE POTENCIA APLICADA, el sistema de control calcularà la POTENCIA ESPECIFICA APLICADA: POTENCIA ESP. APLICADA = POTENCIA APLICADA/CABAL MASSIC

69

• L’equip de CONTROL DE POTENCIA APLICADA, mantindrà CONSTANT el valor de POTENCIA ESPECIFICA durant l’operació, absorbint d’aquesta manera variacions que puguin produir-se de cabal i/o de concentració.

• L’equip de CONTROL DEL GRAU DE REFINAT serà el que introdueixi en el CONTROL DE POTENCIA ESPECIFICA, el valor de CONSIGNA, de forma que el grau de refinat es mantingui en qualsevulla condició.

• L’operari podrà fer variar el valor de GRAU DE REFINAT, segons ho aconselli el tipus de pasta, els anàlisi de laboratori o d’altres.

6.3.-Criteris d’aplicació i limitacions. Tal com s’ha explicat, aquesta tecnologia pot aplicar-se en els casos en que s’empra més d’un tipus de fibra per fabricar paper. I es especialment interessant quant degut a les diferents classes de paper produïdes, les variacions de composició son importants. La única limitació bé donada per la capacitat de producció, ja que es dificil trobar refins eficaços per petites produccions. El llindar d’utilització està en les 60 tones/dia. 6.4.-Anàlisi de viabilitat Una aplicació d’aquesta tecnologia s’ha fet en una fàbrica de les següents característiques generals: • Tipus de paper Tissue • Rang de gramatge 12 – 30 g/m2 (sobre la tela) • Capacitat de producció 75 tones/dia • Composicions inicials 15% F.Llarga+85% F.Curta

30% F.Llarga+70% F.Curta • Consum energètic refinat inicial 179 kWh/tona El diagrama de flux inicial era el que s’adjunta en el planol 10003.001 en el que pot veure’s que la fàbrica estava fent un refinat conjunt de fibres Llargues i Curtes La modificació realitzada queda dibuixada en l’esquema de flux adjunt 10003.02, en el que pot veure’s l’aplicació del refinat separat per cadascuna de les fibres.

70

71

72

Com pot queda indicat, cadascuna de les línies disposa dels controls indicats abans i la barreja es realitza de forma continua i automàtica en el tanc C-31, de la forma següent: • El control de nivell LIC-31, si li baixa el valor mesurat, demana més cabal al

control de cabal de F.Curta FIC-25. • Aquest control de cabal actuant sobre dues vàlvules de control

antagonistes, envia més cabal cap al tanc. • També aquest mateix control de cabal, actúa sobre el control de cabal de

F.Llarga FIC-16, de forma que es mantingui la relació de cabal variable establerta.

• Per tant de forma proporcional a l’establert, també el control de cabal de F.Llarga aporta més pasta.

• Si en lloc de fer falta més pasta, hagués sobrat pasta, la regulació hagués funcional de la mateixa forma però en el sentit contrari. D’aquesta forma es manté a nivell el tanc de mescla C-31.

• La resta de control, tal com ja hem explicat abans mantenen constants les condicions de refinat.

El resultats assolits en aquest cas han estat els següents: • Inversió total 216.500 Euros • Composicions finals 0% F.Llarga+100% F.Curta

16% F.Llarga+84% F.Curta • Consum energètic refinat inicial 132 kWh/tona Com ha quedat demostrat en aquest cas s’ha produït dos estalvis: • Estalvi energètic:

kWh estalviats = (179-132)x75 = 3.525 kWh/dia Estalvi econòmic = 3.525 kWh/dia x 0,06 €/kWh = 211,5 €/dia

• Estalvi en matèria primera 12% F.Llarga substituïda per F.Curta

Quantitat de fibra substituïda = .12 x 75 = 9 Tones/dia Diferència de preu 0,058 €/kg

Estalvi econòmic = 9000 x 0,058 = 522 €/dia ESTALVI ECONÓMIC BRUT TOTAL 733,5 Euros/dia AUGMENT COSTOS D’EXPLOTACIÓ 67,5 Euros/dia ESTALVI ECONÓMIC NET TOTAL 666 Euros/dia RETORN IVERSIÓ 325 dies

73

7.-Fraccionament de la pasta de retall previ a la Dispersió 7.1.-Concepte de la proposta La tecnologia consisteix tal com ja s’ha indicat en separar, fraccionar, el flux de fibres d’una instal·lació en base a Retall de paper vell, separant-les per dimensió. D’aquesta forma un procés com la Dispersió, o d’altres: Refinat, etc., que son grans consumidors d’energia mecànica o tèrmica, s’apliquen tan sols a la fracció de fibres que ho requereixen. Naturalment aquest pas previ permet l’estalvi energètic corresponent al cabal tractat: si la fracció de F.Llarga, significa el 60% del total, l’estalvi serà de igual magnitud. 7.2.-Principi de funcionament Veiem un esquema de flux típic d’una instal.lació amb fraccionat

74

En aquest cas l’aparell que fa de Fraccionador es el S-48 del qual en surten dos fluxos:

• La pasta acceptada curta i neta que se’n va cap endavant al tanc C-47 • La pasta rebutjada que cal dispersar i refinar que va cap al tanc C-45 i

posteriorment es mescla amb la fracció curta. Naturalment depenen del procés i del tipus de paper, aquests dos tipus de pasta poden ser utilitzades conjuntament com s’indica en el esquema o bé poden emprar-se separades en distintes capes del paper fabricat. 7.3.-Criteris d’aplicació i limitacions L’aplicació d’aquesta tecnologia millora la qualitat i les característiques tècniques del paper produït, a la vegada permet emprar com a Matèria primera, Retall de paper vell de pitjor qualitat, el qual serà més accessible i de un preu més barat. En alguns casos permetrà fer servir com a matèria a reciclar, el Paper vell de la recollida selectiva, el que es diposita dins del “iglú” de color blau. Les limitacions vindran donades per la capacitat de producció, ja que no hi ha en el mercat equips de Dispersió per menys de 60 tones/dia, el que significa una producció total de l’ordre de 120 tones/dia. 7.4.-Anàlisi de viabilitat La inversió que pot significar un equip de Fraccionar pasta, respecte a la inversió d’un equip de Dispersió, no compta. Els estalvis que poden assolir-se, poden estimar-se en:

• 40-50 kWh/tona de pasta De difícil quantificació, serà l’estalvi probablement mes gran, des del punt de vista econòmic, en matèria primera, al poder accedir a Retall de paper vell més barat.

75

8.-Altres aplicacions de la Cogeneració 8.1.-Concepte de la proposta Totes les tecnologies aplicables al procés paperer i que son gran consumidores d’energia, poden fer-se més rendibles muntant-les conjuntament amb una Cogeneració. Les tecnologies que val la pena estudiar en cada cas son: • Les que consumeixen energia tèrmica en forma d’aire calent, sempre que

l’aire calent no estigui en contacte amb el personal • Els processos d’assecat que son més eficaços amb electricitat que no pas

amb vapor. • Processos elèctrics que aportin millores de qualitat o de producció. D’una manera resumida el que es pretén es acostar els valors de cost de diferents energies, emprant la Cogeneració com tecnologia de suport 8.2.-Principi de funcionament Depenent de la tecnologia a aplicar, les possibilitats de funcionament son les següents: • Si la tecnologia consumeix molta energia elèctrica, caldrà dimensionar la

Cogeneració per poder subministrar electricitat a un preu inferior al de xarxa i aprofitar el calor residual per generar vapor ó escalfar aigua segons necessitats. Seria el cas de Refinat, Dispersió i sistemes d’assecat elèctric.

• Si la tecnologia consumeix molta energia tèrmica en forma de vapor i elèctrica, caldrà dimensionar la Cogeneració per a subministrar tota l’energia elèctrica i generar vapor amb el calor residual i d’aquesta forma completar la capacitat en vapor de la planta. Seria el cas d’una Dispersió.

• Si la tecnologia empra molta energia tèrmica en forma d’aire calent, caldrà dimensionar la Cogeneració per poder subministrar l’aire calent necessari i consumir dins la fàbrica o vendre a la xarxa, l’electricitat sobrant. Seria el cas de una Campana d’Alt Rendiment, un Tunel d’assecat, etc.

En tot cas caldrà sempre analitzar les necessitats, les disponibilitats i les possibilitats del lloc on sigui la fàbrica, per tal d’aplicar la dimensió més adequada de planta de Cogeneració.

76

8.3.-Criteris d’aplicació i limitacions Donat que hi ha tantes tecnologies que poden aplicar-se amb el suport d’una Cogeneració, que a continuació es llisten algunes possibles i els punts i condicions d’aplicació més adient: REFINAT En el cas de les tecnologies que tan sols ens demanden més energia elèctrica com el Refinat, l’aplicació es molt clara i el benefici també. ASSECAT NO CONVENCIONAL En el cas de l‘assecat per Infra-Roig elèctric o per sistemes inductius, resistències elèctriques i alta freqüència a més d’aplicar una energia tèrmica més eficient quan el paper ja està força sec i que es correspon amb la més baixa eficiència de l’assecat convencional amb cilindres assecadors escalfats per vapor d’aigua, també podrem fer correccions del perfil d’humitat del full de paper, fent encara més eficient el procés d’assecat i millorant la qualitat del paper produït. Aquestes tecnologies d’una manera general i resumida tenen una demanda energètica:

• INFRA-ROIG: longitud d’ona 0,76-2 micres quan la humitat es < 20% 8 kWh/kg d’aigua evaporada. Fa correcció automàtica del perfil d’humitat

• INFRA-ROIG: longitud d’ona 2-4 micres quan la humitat es > 30% 2 kWh/kg aigua evaporada Fa correcció automàtica del perfil d’humitat

• INDUCCIÓ: 9 kW/m. d’ample 9 kWh/kg aigua evaporada Fa correcció automàtica del perfil d’humitat

• RESISTÈNCIES ELÈCTRIQUES: assecador Equilex 36 kW/m. d’ample 2,5 kWh/kg aigua evaporada

• ALTA FREQÜENCIA: funciona bé amb humitat entre 15 i 25% 1kWh/kg aigua evaporada Fa correcció automàtica del perfil d’humitat

DISPERSIÓ: En el cas de voler instal·lar una Dispersió, que tal com ja va indicar-se abans, consumeix energia tèrmica i elèctrica, l’aplicació també es força clara. Fins i tot pot dimensionar-se una Cogeneració a la mida de les necessitats de la instal·lació.

77

També es important aquesta tecnologia de la Dispersió per les fàbriques de paper blanc reciclat. Aquestes fàbriques que utilitzen Retalls blancs, es troben molts problemes amb la presencia de contaminant termoplàstic ja que com que varien de forma amb l’escalfor, es molt difícil, poder-los separar per sistemes de classificació: tant amb garbells de forats com de ranures i inclòs fent servir obertures molt petites: 0,15 mm. Aquest tipus de contaminant, a més, habitualment es fixa sobre les vestidures de la màquina: tela i feltres i es causa de forats en el paper. La millor forma de combatre aquesta contaminació es fen passar la pasta per uns Dispersió i en aquest cas el limitant TECNOLOGIES HABITUALS: CAMPANES ALT RENDIMENT Les tecnologies d’ús habitual que poden ser millorades en eficiència per instal.lació d’una cogeneració son:

• Campanes d’Alt Rendiment per màquines de paper tissue • Túnels i sistemes d’assecat sense contacte per paper estucat

Tots aquest sistemes tenen en comú que empren aire calent a temperatures dins la gamma 180-450ºC, el qual bufen a alta velocitat, 60-130 m/s, contra el paper per assecar-lo i conduir-lo sense contacte. Per tant son tecnologies que comporten l’ús de ventiladors d’alta potencia per generar el corrent d’aire necessari. Com pot veure’s en el Diagrama de Flux, que s’adjunta, típic d’una Campana d’Alt Rendiment, es tracta de una instal.lació aerotèrmica que bufa aire calent sobre el paper tissue durant el procés d’assecat sobre un cilindre assecador, denominat Yankee. Per augmentar l’eficiència, el sistema recicla part dels bafs que genera l’evaporació d’aigua i per mantenir unes condicions climàtiques adients, el que fa es extreure cap l’exterior una quantitat d’aire calent i humit. Aquest aire abans de sortir passa per un bescanviador que pre-escalfa l’aire d’aportació

78

Es aquest aire Fresc el que pot ser substituït per fums de la cogeneració directament ja que tot el sistema es troba aïllat del contacte amb el personal que treballa en la màquina, a més de treballar a temperatures elevades, fins a 450ºC SISTEMES D’ASSECAT SENSE CONTACTE: En el cas de túnels d’assecat i/o sistemes de conducció i assecat del full sense contacte, la situació es força similar: La foto següent es correspon amb un sistema d’assecat sense contacte i en el que el full es conduït per sobre d’una superfície corba, bufant-li aire calent i mantenint-lo separat de la superfície bufant

79

La mateixa situació es repeteix en el túnels d’assecat els quals disposen de sistemes aerotèrmics que injecten aire calent a velocitat suficient per mantenir el full conduït sense contacte. Aquest equips s’instal.len a la sortida de les màquines estucadores, on s’aplica al paper una pintura que millora les aptituds a la impressió de la superfície.

80