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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TECNO-ECONÓMICO PARA LA

SELECCIÓN E INSTALACIÓN DE PRECIPITADORES

ELECTROSTÁTICOS EN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA

PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE

UNIVERSIDAD CENTRAL DE

VENEZUELA

POR LOS BACHILLERES

Carrera P., David I.

Guzmán N., Fernando A.

PARA OPTAR AL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

CARACAS, 2006

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TECNO-ECONÓMICO PARA LA

SELECCIÓN E INSTALACIÓN DE PRECIPITADORES

ELECTROSTÁTICOS EN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA

Tutor académico: Ing. Alberto Fuentes

Tutor Industrial: Ing. Jorge Peñate

PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE

UNIVERSIDAD CENTRAL DE

VENEZUELA

POR LOS BACHILLERES

Carrera P., David I.

Guzmán N., Fernando A.

PARA OPTAR AL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

CARACAS, 2006

i

RESUMEN

CARRERA PEÑA, David I. y GUZMÁN NARVÁEZ, Fernando A.

“ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TECNO-ECONÓMICO PARA LA SELECCIÓN E INSTALACIÓN DE PRECIPITADORES

ELECTROSTÁTICOS EN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA”

Tutor académico: FUENTES, Alberto. Tesis Ing. Mecánico. Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica, 2006.183 páginas

Palabras Clave: Factibilidad /Precipitación electrostática /Control de emisiones.

En este trabajo queda de manifiesto el estudio de factibilidad técnico y

económico para la instalación de dispositivos usados para el control de emisiones

atmosféricas, específicamente de material particulado, denominados precipitadores

electrostáticos, en la central termoeléctrica C.G.R.Z específicamente en la planta

ampliación Tacoa.

Para ello se realizaron distintas evaluaciones y consideraciones en cuanto a

requerimientos y disponibilidades, contemplando el impacto técnico generado al

incluir estos equipos al circuito aire-combustible, la adecuación de las dimensiones de

los precipitadores electrostáticos y la disposición final de sistema de ductos de los

gases residuales en congruencia con el espacio físico disponible en la planta. Lo

anterior verificó que la inclusión de PES en las unidades de la planta afectaría

notablemente el tiro del circuito aire-gases, sin embargo permitiría la libre

circulación de los gases en su recorrido desde su salida de los precalentadores hasta la

salida de la chimenea y ser expulsados a la atmósfera, desde este punto de vista la

factibilidad técnica es viable. Luego se realizaron estimaciones de índole económica,

donde se analizó la rentabilidad del proyecto, básicamente obteniendo precios de

referencia de la construcción e instalación de equipos similares.

ii

DEDICATORIA

Quiero dedicar este trabajo a los seres quienes con su inagotable amor me

llevaron de la mano, me llenaron de cariño, me obsequiaron valores, y me protegieron

incondicionalmente, a esos dos que por mi desvelaron, que siempre caminaron

conmigo. No cabe duda en mi mente…ni en mi corazón, los quiero más que a mí.

Papi y Mami…para Uds.

David Ignacio Carrera Peña

iii

Dedicado a las personas que me dieron la vida y me acompañaron en todo

momento: mis padres Gladys y Fernando.

Fernando Augusto Guzmán Narváez

iv

AGRADECIMIENTOS

A mi Papi Ignacio Carrera por tu apoyo interminable y por tus valiosos

consejos, gracias por guiarme y hacer de mí una persona luchadora, por enseñarme

que sólo basta querer algo con el corazón para alcanzarlo.

A mi Mami, Carmen Cecilia por tu comprensión y escucharme, por cuidarme

y orientarme, por ser un ejemplo a seguir, por impulsarme sin reparo cuando me sentí

decaído, Mami…Gracias por tu infinito amor y por creer en mí.

A mi hermana Liliana por siempre darme la mano, por prestarme su

computadora en múltiples ocasiones.

A mi hermana Lisbeth por su apoyo. Éxito en tu carrera.

A mi hermana Lizmary por marcarme el camino a la universidad y darme sus

consejos oportunos y motivarme a estudiar en la U.C.V.

A mi hermana Lisette por su constante preocupación por mí, por su gran

ayuda, y por acompañarme y escucharme en tantas oportunidades.

A mis sobrinos: Juan Carlos, María Angélica, Carla, María de los Ángeles,

Neribeth, Roger, Ignacio David, Roberlis, Ray y Ronald, por ser motivos de alegría

en mi vida. A todos ¡Los AMO¡

A los profesores José Luís Perera, Alberto Fuentes, Tibisay Zambrano.

A mi jurado, profesores Fabián Flores y Alfonso Mateo.

Al Ing. Jorge Peñate, TSU José Manuel González y Sr. Roger Orengo.

A mis buenos amigos por sus buenos deseos, además de estar conmigo en

buenas y malas: Jorge, Druber, Rusmar, Bernard, Juan Carlos, Adolfredo, Julyar,

Malisette, Merling, Milagros, Aracelis, Eduardo, Luciano, Ángel, Gerónimo, Alfredo,

Omar, Rubén, “Mandril” Suárez, Gabriel JT, Silvia, Priscila, Simón, Luisfer,

Marianne, María Andreína, y a mi amigo y compañero de tesis Fernando Guzmán.

A todos los que mencione y otros que pueda estar olvidando, por razones

ajenas a mi voluntad, les doy mil gracias por aceptarme, por compartir tantos

momentos, por reír, y por mostrarme su amistad, amigos, hasta siempre, por siempre.

David I .Carrera P.

v

En primer lugar a mis padres, Gladys y Fernando, porque sin su constancia y

sacrificio en guiarme por el buen camino esto jamás hubiera sido posible.

A mi madre Gladys, por todo el amor y comprensión que me dio y sigue

dando incondicionalmente. Además de todas aquellas madrugadas que sin reparo

alguno me regalo a lo largo de toda la carrera sólo para que su “bebé” se fuera a la

universidad con su desayuno y bendición. Siempre estuviste cuando te necesité,

“Mamá te amo”.

A mi Padre Fernando, hoy soy un hombre profesional gracias a su carácter y

buenos ejemplos, al empeño diario en recordarme lo que es la superación, por nunca

vacilar en prestarme su ayuda incondicional, en fin por estar siempre a mi lado, “Papá

te amo”.

A mis hermanas, por su apoyo, por aguantarme a lo largo de todos estos años,

este logro también es de ustedes, Diana y Maritza. “Las Amo”.

A toda mi familia en general, abuelos, tíos, primos.

A mi gran apoyo en todo momento, mi niña bella Lismar.

A mis amigos de “La Guaira,” mi pueblo, Gabriel (Vago), Luís (Dino),

Antonio (Chiqui), Wilmer (Gata Gorda), Anthony, Manuel, José Manuel, Deury,

A los profesores José Luís Perera, Alberto Fuentes, Fabián Flores, Alfonso

Mateo, de la escuela de Ingeniería Mecánica de la U.C.V.

Al personal de Ampliación Tacoa, en especial al Sr. Roger Orengo, José

Manuel González, Jorge Peñate, Daniel Morales.

A mi pana y compañero de trabajo David Carrera.

A todos GRACIAS.

Fernando A. Guzmán N.

vi

INDICE GENERAL

RESUMEN iDEDICATORIA iiAGRADECIMIENTO ivINDICE GENERAL viINDICE DE TABLAS xINDICE DE FIGURAS xiABREVIATURAS Y SIMBOLOS xiiiINTRODUCCIÓN xiv

CAPÍTULO I. ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA. ...................................................... 1 1.1. LA ELECTRICIDAD DE CARACAS (EDC). ............................................................................ 1 1.1.1. MISIÓN........................................................................................................................................ 1 1.1.2. VISIÓN ........................................................................................................................................ 1 1.1.3. PRINCIPIOS Y VALORES. ...................................................................................................... 2 1.1.4. RESEÑA HISTÓRICA: ............................................................................................................. 2 1.2. CONJUNTO GENERADOR RICARDO ZULOAGA (CGRZ). ............................................... 8 1.2.1. MISIÓN Y VISIÓN DE LAS UNIDADES DE NEGOCIOS DEL CONJUNTO GENERADOR RICARDO ZULOAGA.............................................................................................. 8 1.2.2. RESEÑA HISTÓRICA: ............................................................................................................. 9 CAPÍTULO II. MARCO METODOLÓGICO................................................................................. 14 2.1. ESTUDIOS EXPLORATORIOS................................................................................................ 14 2.2. ESTUDIOS DESCRIPTIVOS..................................................................................................... 15 2.3. MÉTODO DE OBSERVACIÓN ................................................................................................ 15 2.4. FUENTES PRIMARIAS ............................................................................................................. 16 2.5. FUENTES SECUNDARIAS........................................................................................................ 16 2.6. OBSERVACIÓN.......................................................................................................................... 16 2.6.1. OBSERVACIÓN PARTICIPANTE........................................................................................ 17 2.6.2. OBSERVACIÓN NO PARTICIPATIVA O SIMPLE........................................................... 17 2.7. CUESTIONARIOS ...................................................................................................................... 17 2.8. ETAPA Nº 1. LEVANTAMIENTO DE LA INFORMACIÓN. ............................................... 17 2.9. ETAPA Nº 2. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE ESTUDIO............... 18 2.10. ETAPA Nº 3. RESULTADOS. .................................................................................................. 19 CAPÍTULO III. DESCRIPCIÓN OPERATIVA DEL PROCESO ................................................ 20 3.1. BREVE DESCRIPCIÓN DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA A VAPOR. ............. 20

vii

3.2 EL PETRÓLEO COMO COMBUSTIBLE................................................................................ 29 3.2.1. DEFINICIÓN. ........................................................................................................................... 29 3.2.2. ORÍGENES................................................................................................................................ 29 3.2.3. COMPOSICIÓN Y VARIEDAD. ............................................................................................ 30 3.2.4. PETRÓLEO EN VENEZUELA. ............................................................................................. 31 3.2.5. TIPOS DE COMBUSTIBLES. ................................................................................................ 32 3.2.5.1. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. ................................... 32 3.2.5.3. DESCRIPCIÓN DEL FUEL OIL Nº 6................................................................................. 35 3.2.6. CARACTERÍSTICAS FÍSICO – QUÍMICAS DE LOS COMBUSTIBLES....................... 36 3.2.6.1. PUNTO DE INFLAMACIÓN (FLASH POINT)................................................................. 37 3.2.6.2. VISCOSIDAD......................................................................................................................... 37 3.2.6.3. DENSIDAD............................................................................................................................. 38 3.2.6.4. GRAVEDAD API................................................................................................................... 38 3.2.6.5. PUNTO DE FLUIDEZ........................................................................................................... 38 3.2.6.6. AGUA Y SEDIMENTOS....................................................................................................... 38 3.2.6.7. VANADIO............................................................................................................................... 39 3.2.6.8. AZUFRE ................................................................................................................................. 39 3.2.6.9. ADITIVOS.............................................................................................................................. 39 3.2.7. LA COMBUSTIÓN, LOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y SU IMPACTO AMBIENTAL. ..................................................................................................................................... 40 3.2.7.1. COMBUSTIÓN ...................................................................................................................... 40 3.2.7.2. COMBUSTIÓN ORIGINADA CON COMBUSTIBLES LÍQUIDOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. ....................................................................................................................................... 40 3.2.7.3. AGENTES CONTAMINANTES ASOCIADOS A LA COMBUSTIÓN. ......................... 41 3.3. QUEMADORES........................................................................................................................... 45 3.3.1. QUEMADORES EN PLANTA AMPLIACIÓN TACOA. .................................................... 46 3.3.1.2. TIPOS DE QUEMADORES EN PLANTA Y SU FUNCIONAMIENTO......................... 48 CAPÍTULO IV. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO Y FORMAS DE RECOLECCIÓN................................................................................................................................. 50 4.1. EL HUMO..................................................................................................................................... 50 4.1.1. HUMO BLANCO:..................................................................................................................... 50 4.1.2. HUMO NEGRO:....................................................................................................................... 50 4.2. MATERIAL PARTICULADO. .................................................................................................. 50 4.2.1. MÉTODOS PARA LA CAPTACIÓN DE PARTÍCULAS. .................................................. 52 4.2.1.1. PROCESOS GRAVITACIONALES.................................................................................... 54 4.2.1.2. PRECIPITACIÓN POR EXPANSIÓN................................................................................ 54

viii

4.2.1.4. FILTRACIÓN. ....................................................................................................................... 56 4.2.1.5. PRECIPITACIÓN HIDROMETALÚRGICA. ................................................................... 57 4.2.1.6. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS...................................................................... 58 4.3. METALES IMPORTANTES OBTENIDOS A TRAVÉS DEL MATERIAL PARTICULADO RECOLECTADO................................................................................................. 59 4.3.1. EL VANADIO. .......................................................................................................................... 59 4.3.2. EL NÍQUEL............................................................................................................................... 60 4.3.3. MÉTODO PARA SEPARAR VANADIO Y NÍQUEL DEL MATERIAL PARTICULADO................................................................................................................................................................ 61 CAPÍTULO V. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS, DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO......................................................................................................................... 65 5.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ............................................................................................. 65 5.1.1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................... 65 5.1.2. TIPOS DE PES.......................................................................................................................... 65 5.1.2.1 PRECIPITADORES DE PLACA-ALAMBRE .................................................................... 66 5.1.2.2 PRECIPITADORES DE PLACA-PLANA........................................................................... 69 5.1.2.3 PRECIPITADORES TUBULARES...................................................................................... 70 5.1.2.4. PRECIPITADORES HÚMEDOS......................................................................................... 71 5.1.2.5. PRECIPITADORES DE DOS ETAPAS............................................................................. 71 5.1.3. EQUIPO AUXILIAR................................................................................................................ 73 5.1.4. TEORÍA DE LA PRECIPITACIÓN ELECTROSTÁTICA................................................. 75 5.1.4.1 PUNTO DE OPERACIÓN ELÉCTRICO ............................................................................ 76 5.1.4.2. CARGADO DE PARTÍCULAS............................................................................................ 79 5.1.4.3. RECOLECCIÓN DE LA PARTÍCULA .............................................................................. 82 5.1.4.4 ESCABULLIMIENTO Y REENCAUZAMIENTO POR GOLPETEO............................ 85 5.2 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL PES.............................................................................. 87 5.2.1 ÁREA ESPECIFICA DE RECOLECCIÓN............................................................................ 87 5.2.1.1 PROCEDIMIENTO PARA SCA CON VELOCIDAD DE MIGRACIÓN CONOCIDA. 88 5.2.1.2. PROCEDIMIENTO COMPLETO PARA DETERMINAR EL SCA ............................... 92 5.2.1.3. ÁREA ESPECÍFICA DE RECOLECCIÓN PARA PRECIPITADORES TUBULARES............................................................................................................................................................... 97 5.2.2 CÁLCULOS DE LA CAÍDA DE PRESIÓN ........................................................................... 98 5.2.3. CARACTERÍSTICAS DE LA PARTÍCULA...................................................................... 100 5.2.4. CARACTERÍSTICAS DEL GAS. ......................................................................................... 101 5.2.5. LIMPIEZA.............................................................................................................................. 102 5.2.6. CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN .................................................................... 103 CAPÍTULO VI. ESTUDIO TÉCNICO (FORMULACIÓN Y CÁLCULOS) ............................. 105

ix

6.1. GENERALIDADES. .................................................................................................................. 105 6.2. SELECCIÓN DEL TIPO DE PES A INSTALAR. ................................................................. 105 6.2.1. DESCRIPCIÓN DEL PES TIPO PLACA-ALAMBRE EN SECO. ................................... 105 6.2.2. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE LAS PLACAS COLECTORAS.............................................................................................................................................................. 108 6.2.3. CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DEL PRECIPITADOR. ............................................... 108 6.2.4. CÁLCULO DE LA PENETRACIÓN A PARTIR DE LA EFICIENCIA ELEGIDA. ..... 108 6.2.5. DETERMINACIÓN DE LA PRESENCIA DEL EFECTO CORONA INVERTIDA...... 109 6.2.6 CÁLCULO DEL FACTOR DE PÉRDIDA (LF)................................................................... 109 6.2.7. NÚMERO DE SECCIONES DEL PRECIPITADOR (N)................................................... 109

6.2.8. CÁLCULO DE LA PENETRACIÓN PROMEDIO DE LA SECCIÓN ( sp ).................. 110

6.2.9. CÁLCULO DE LA PENETRACIÓN DE LA SECCIÓN DE RECOLECCIÓN ( cp ). ... 110

6.2.10. CÁLCULO DE LOS MMD DE LAS PARTÍCULAS A TRAVÉS DEL PES. ................. 110 6.2.11. CÁLCULO DE LAS ÁREAS ESPECÍFICAS DE LAS SECCIONES COLECTORAS (SCA) .................................................................................................................................................. 111 6.2.13. CÁLCULO DEL ÁREA POR SECCIÓN DE LAS PLACAS COLECTORAS .............. 112 6.3 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES TOTALES DEL PRECIPITADOR.......................... 113 6.3.1. CÁLCULO DE DIMENSIONES DE LA PLACA. .............................................................. 113 6.3.2. CÁLCULO DEL NÚMERO DE PLACAS ........................................................................... 113 6.3.3. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE FONDO DEL PES.................................................... 114 6.3.4. CÁLCULO DEL ANCHO DEL PRECIPITADOR ............................................................. 115 6.3.5. ALTURA DEL PRECIPITADOR ......................................................................................... 116 6.4. CANTIDAD DE MATERIAL RECOLECTADO EN LAS PLACAS DEL PES. ............... 116 6.5. IMPACTO PRODUCIDO POR LA INSTALACIÓN DE LOS PES EN EL TIRO DEL CIRCUITO AIRE- GAS................................................................................................................... 118 6.5.1 CALCULO DE TIRO PRODUCIDO POR LA CHIMENEA.............................................. 121 6.5.2. CÁLCULOS DE LAS PÉRDIDAS DE TIRO DEBIDO AL SISTEMA DEL PRECIPITADOR.............................................................................................................................. 128 6.5.2.1. CON CARGA MÁXIMA (105 %). ..................................................................................... 128 6.5.2.2. CON CARGA MÍNIMA (40 %). ........................................................................................ 131 CAPÍTULO VII. ASPECTOS AMBIENTALES Y ECONÓMICOS ASOCIADOS A LA INSTALACIÓN DEL PES ............................................................................................................... 138 7.1. ASPECTOS AMBIENTALES .................................................................................................. 138 7.2. PROTOCOLO DE KYOTO...................................................................................................... 143 7.2.1. DISPOSICIONES DEL PROTOCOLO................................................................................ 144 7.2. ASPECTOS ECONÓMICOS.................................................................................................... 146

x

CAPÍTULO VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................... 153 8.1. CONCLUSIONES...................................................................................................................... 153 8.2. RECOMENDACIONES............................................................................................................ 156 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA…………………......………………………………………..157 APENDICE A….…………………...…………………...…………..………………………………160

ANEXOS...……………………………………………………………………...……………………170

INDICE DE TABLAS

TABLA 3.1. COEFICIENTES DE FRICCIÓN ............................................................................... 25 TABLA 3.1. CLASIFICACIÓN DEL PETRÓLEO VENEZOLANO DE ACUERDO A LOS GRADOS API...................................................................................................................................... 32 TABLA 3.2. CARACTERÍSTICAS DEL FUEL OIL N º 6 USADO EN PLANTA AMPLIACIÓN TACOA..................................................................................................................... 36 TABLA 5.1: SCA PEQUEÑAS, MEDIANAS Y GRANDES EXPRESADAS EN VARIAS UNIDADES.......................................................................................................................................... 87 TABLA 5.2: VELOCIDADES DE MIGRACIÓN EN PES DE PLACA-ALAMBRE DE PARED HÚMEDA (CM/S) ............................................................................................................................... 90 TABLA 5.3. VELOCIDADES DE MIGRACIÓN EN PES DE PLACA-ALAMBRE DE PARED HÚMEDA (SIN CORONA INVERTIDA, CM/S) ............................................................................ 91 TABLA 5.4.VELOCIDADES DE MIGRACIÓN EN PES DE PLACA PLANA (SIN CORONA INVERTIDA, CM/S)........................................................................................................................... 91 TABLA 5.5. DIÁMETRO MÁSICO MEDIO (MMD) .................................................................... 93 TABLA 5.6. FACTOR DE ESCABULLIMIENTO ......................................................................... 93 TABLA 5.7.FACTOR DE REENCAUZAMIENTO POR GOLPETEO ....................................... 94 TABLA 5.8. VALORES DE N. .......................................................................................................... 95 TABLA 5 .9.METODOLOGÍA DE CÁLCULO DE LOS MMD ................................................... 96 TABLA 5.10. COMPONENTES DE CAÍDA DE PRESIÓN DEL PES......................................... 99 TABLA 6.1. CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LA PLANTA AMPLIACIÓN TACOA. ............................................................................................................................................. 118 TABLA 6.3. DIMENSIONES DE LA CHIMENEA ...................................................................... 121 TABLA 6.3.VOLUMEN Y PESO ESPECÍFICO DEL AIRE...................................................... 123 TABLA 6.7. RESULTADOS DE CAPITULO 6............................................................................. 135 TABLA 7.1. FACTORES DE EMISIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA................................................................................................................................ 139 TABLA 7.2. LÍMITES DE EMISIÓN DE CONTAMINANTES.................................................. 142 TABLA 7. 3. ÍNDICE DE PRECIOS AL CONSUMIDOR (US$). ............................................... 146

xi

TABLA 7.4. COSTO DE INVERSIÓN REALIZADO POR AES-VENTANAS PARA LA INSTALACIÓN DE PES. (1995) ..................................................................................................... 147 TABLA 7. 5. COSTOS DE OPERACIÓN ANUAL DE LOS PES EN AES-VENTANAS. (1995)............................................................................................................................................................. 147 TABLA 7.6. PRECIOS DE COMBUSTIBLES 2006 (VAE) ......................................................... 149 TABLA 7.7. PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE AMPLIACIÓN TACOA.......................... 150

INDICE DE FIGURAS

FIG.1.1. CAPACIDAD INSTALADA POR EMPRESA ................................................................... 7 FIG.1.2. CONSUMO DE COMBUSTIBLE........................................................................................ 7 FIG. 1.3. PLANTA ARRECIFES ...................................................................................................... 10 FIG. 1.4. PLANTA ARRECIFES – TACOA.................................................................................... 11 FIG. 1.5. PLANTA AMPLIACIÓN TACOA ................................................................................... 12 FIG. 3. 1. ESQUEMA DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA A VAPOR. ......................... 20 FIGURA. 3.2. QUEMADORES DE AMPLIACIÓN TACOA........................................................ 47 FIGURA 3.3: QUEMADORES. PASTILLAS ROCIADORAS...................................................... 49 FIG. 4.1. MICROFOTOGRAFÍA SEM DE PARTÍCULAS (CENOSFERAS) EMITIDAS EN COMBUSTIÓN DE FUEL-OIL PESADO, CON DISTINTO GRADO DE OXIDACIÓN. ........ 51 FIG. 4. 2. TAMAÑO DE PARTÍCULA VS. DISPOSITIVO DE CAPTACIÓN........................... 53 FIG. 4.3. CICLÓN............................................................................................................................... 55 FIG. 4.4. FILTROS DE MANGAS.................................................................................................... 57 FIG. 4. 5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO............................................................................................................................................................... 58 FIG. 4. 6. EFECTO DEL TIEMPO DE AGITACIÓN SOBRE LA LIXIVIACIÓN DEL VANADIO COMO FUNCIÓN DEL GRADO DE CONCENTRACIÓN DEL ACIDO CLORHÍDRICO ................................................................................................................................. 62 FIG. 4. 7. EFECTO DEL TIEMPO DE AGITACIÓN SOBRE LA LIXIVIACIÓN DEL NÍQUEL COMO FUNCIÓN DEL GRADO DE CONCENTRACIÓN DEL ACIDO CLORHÍDRICO ................................................................................................................................. 63 FIG. 5.1. COMPONENTES DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO ................................ 66 FIG. 5.3. DISPOSITIVO DE CONTROL Y EQUIPO AUXILIAR TÍPICO ................................ 74 FIG. 5.4: GRÁFICA PARA ENCONTRAR SCA ............................................................................ 89 FIG. 6.1. DIMENSIONES DE LA PLACA RECOLECTORA..................................................... 115 FIG. 6.2. DISTANCIA ENTRE PLACAS....................................................................................... 116 FIG. 6.2. TIRO DEL CIRCUITO AIRE – COMBUSTIBLE A 105% (ACTUAL) .................... 119 FIG. 6.3. TIRO DEL CIRCUITO AIRE – COMBUSTIBLE A 40% (ACTUAL) ...................... 120

xii

FIG. 6.5. RELACIÓN ENTRE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL GAS DE LA CHIMENEA Y SUS DIMENSIONES............................................................................................. 122 FIG. 6.6. FACTOR DE FRICCIÓN EN RELACIÓN AL NÚMERO DE REYNOLDS Y EL DIÁMETRO DE LA CHIMENEA.................................................................................................. 125 TABLA 6.7. FACTOR DE FRICCIÓN EN RELACIÓN AL NÚMERO DE REYNOLDS Y EL DIÁMETRO DE LA CHIMENEA.................................................................................................. 127 FIG. 6.8. TIRO DEL CIRCUITO AIRE – COMBUSTIBLE A 105%. UNIDAD 9 (INCLUYENDO EL PES) ................................................................................................................ 136 FIG. 6.9. TIRO DEL CIRCUITO AIRE – COMBUSTIBLE A 40%. UNIDAD 9 (INCLUYENDO EL PES).............................................................................................................................................. 137 FIG. 7.1. DIAGRAMA DE COSTOS. ............................................................................................. 149

xiii

ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

acfm Pie cúbico por minuto actual API American Petroleum Institute atm Atmósfera AES Asociation electric service CA Corriente alterna CALEV Compañía Anónima Fuerza y Luz Eléctrica de

Venezuela CD Corriente directa CADAFE Compañía Anónima de Administración y Fomento

Eléctrico CI Corona invertida cSt Centistoke C.G.R.Z Conjunto Generador Ricardo Zuloaga C.V.G Corporación Venezolana de Guayana EDC Electricidad de Caracas EDELCA Electrificación del Carona Eff Eficiencia de diseño ELEGGUA Electricidad de Guarenas-Guatire EPA Enviromental Protection Agency Hz Frecuencia en Hertzios IPC Índice de precio al consumidor kw Kilovatio LF Factor de pérdida LUZ La Universidad del Zulia MMD Diámetro Másico Medio Mw Megavatio PES Precipitador electrostático PM Particulated matter (Material Particulado) psia Presión en lbf/in2(Libra fuerza/pulgadas cuadradas) Re Número de Reynolds RR Fracción reencauzada SCA Specific Collection Area (Área específica de Colección) SERDECO Servicio de electricidad de la comunidad SIN Sistema Interconectado Nacional SN Factor de escabullimiento SSF Segundos Saybolt Furol μ Micra(milésima de milímetro) ºF Temperatura en grados Fahrenheit º R Temperatura en grados rankine(absoluta) ISO Internacional Organization for Standarization

xiv

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo especial tiene como principal objetivo la realización de un

estudio de factibilidad técnico y económico para la instalación de precipitadores

electrostáticos en la Central Termoeléctrica Ampliación Tacoa, perteneciente al

Conjunto Generador Ricardo Zuloaga. Este proyecto esta basado en tres aspectos

fundamentales: Una investigación acerca de teoría de precipitación electrostática en

general de manera que permita al lector e investigador ahondar un poco más sobre el

funcionamiento de los PES, sus niveles de eficiencia y rango de aplicabilidad,

considerando el tipo de combustible utilizado por la central en estudio.

La central Ampliación Tacoa funciona con un sistema dual de combustión,

donde se usan Gas Natural y Fuel Oil Nº 6 como combustibles. La combustión del

gas no genera particulado fino, y por ende no es necesario un sistema de captación de

partículas para controlar dicho gases. Como producto de la combustión del fuel oil Nº

6, se producen emisiones gaseosas compuestas de: óxidos de nitrógeno ( xNO ),

óxidos de azufre ( xSO ), monóxido de carbono (CO ) y particulado fino ricos en

metales: cobre (Cu) hierro (Fe) vanadio (V), Níquel (Ni) y Zinc (Zn), Siendo estos

últimos la justificación de la instalación de estos dispositivos. Estas emisiones afectan

directamente la salud humana y al medio ambiente en general.

Como segundo aspecto y para verificar la factibilidad técnica se realizaron

una serie de cálculos de las variaciones de presión en el circuito aire-gases al

momento de colocar los PES manteniendo las condiciones de operación normales de

la caldera. Se calcularon además los tiros de la chimenea a carga máxima y mínima

para así, comparándola con el aumento de presión agregado, obtener conclusiones

fiables acerca de la circulación de los gases en el circuito.

Como tercer aspecto se evalúa la disminución de la contaminación producto

de las emisiones en concordancia con la legislación ambiental venezolana. El control

sobre las emisiones industriales forma parte de la preocupación mundial y dependen

en gran parte de la calidad del producto a ser utilizado en la obtención de energía y de

xv

los controles implementados por las empresas. Si bien es cierto que el petróleo y sus

derivados son recursos naturales, también es cierto que su relación con el medio

ambiente ha estado marcada por los altos niveles de contaminación que generan en

sus procesos. En este sentido, organizaciones como la EPA (environmental protection

agency), en los Estados Unidos, la ISO (internacional Organization for

Standarization), a través 14000 y 14001, las legislaciones nacionales y los tratados

mundiales, como por ejemplo: El protocolo de Kyoto (establecido en 1997), buscan

reducir el impacto ambiental estableciendo gestiones ambientales y límites de

sustancias contaminantes arrojadas a la atmósfera. En Venezuela el Ministerio del

Ambiente y recursos naturales, establece los lineamientos que una empresa debe

cubrir de acuerdo su actividad.

Planteamiento del problema En la combustión del combustible Bunker 6, o fuel oil 6, en los generadores

de vapor, se genera un efluente de gases con alto contenido de sulfuros, de partículas

finas y cenizas. Parte de estas partículas es depositado en las calderas, en forma de

escoria, mientras que el resto es expelido por la chimenea de 120 m de altura,

disipándose estos gases en la atmósfera, y minimizando su influencia.

A pesar de esto, y del cumplimiento de las normas nacionales, se buscan las

mejoras ambientales para evitar problemas producto de la contaminación ambiental,

tales como lluvia ácida, y otros, que afectan el entorno natural.

En base a la necesidad planteada y de acuerdo a requerimientos técnicos

solicitados por el complejo generador Ricardo Zuloaga se hizo necesario un estudio

de factibilidad tecno-económico con el fin de seleccionar e instalar un precipitador

electrostático adecuado que permita separar dichos elementos sólidos de los gases de

escape antes de que sean enviados al medio ambiente.

Se deben manejar ciertos conocimientos previos en cuanto a los parámetros de

funcionamiento de un generador de vapor y del marco en el cual se encuentra inscrito

el problema.

xvi

Antecedentes

Entre los antecedentes para este trabajo, se pueden considerar trabajos previos

desarrollados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central de

Venezuela, por estudiantes de la comunidad de pre-grado y postgrado en diversas

áreas de la ingeniería, en la actualidad destacan entre los trabajos que se relacionan

con estudios de factibilidad tecno-económicos y precipitadores electrostáticos:

Trabajo Especial de Grado realizado por Webel B., Carlos E, en el año 2002

Marichal Ángel. (Tutor Académico) “Estudio Técnico-Económico para la Obtención

de 2CO a Partir de los Gases de Escape de los Generadores de Vapor de una Central

Termoeléctrica”. En el mencionado trabajo se analizó técnica y económicamente la

factibilidad de instalación de un sistema recuperador del dióxido de carbono ( 2CO )

de los gases de escape de una de las unidades generadoras a vapor de la central

termoeléctrica Ampliación Tacoa, ubicada en el Complejo Generador Ricardo

Zuloaga, en el Estado Vargas, perteneciente a AES. La Electricidad de Caracas. La

tecnología analizada en este estudio para la recuperación del dióxido de carbono es la

de absorción química mediante el uso de monoetanolamina como solvente. Resultó

técnicamente factible la instalación de un sistema recuperador del 2CO de una

fracción del total de los gases de escape de una de las tres (3) unidades generadoras

existentes en la planta, con una capacidad de producción de 2CO de setenta y cinco

(75) toneladas diarias, con un 99,9% de pureza. El sistema se ubicaría en los

alrededores de la chimenea de los gases de escape de la unidad #7 (CRZ 7) de

Ampliación Tacoa y el tanque de almacenamiento del 2CO líquido en un espació

fuera de la planta, perteneciente a la compañía, interconectado con el sistema

recuperador de 2CO por medio de una tubería aislada.

Trabajo Especial de Grado realizado por Fuentes G., Alberto, en el año 2005

Frank Pieterz. (Tutor Académico) “Evaluación de la factibilidad del cambio de

combustible fuel oil Nº 6 a fuel oil Nº 2 en los quemadores de la caldera de la planta

xvii

Ampliación Tacoa”. En este trabajo propone el uso de un combustible alternativo más

liviano y de menor contenido de azufre como lo es el Gasoil (fuel oil Nº 2), con la

finalidad de reducir estos efectos en la quema dual de combustible (Gas natural y fuel

oil Nº 6), contribuyendo con el cambio, al mejoramiento de la calidad del aire.

David y Herzog (2001) condujeron un estudio detallado de los costos

asociados con la tecnología de absorción química para la separación y captura del

CO2 en tres tipos de centrales energéticas: Ciclo combinado integrado gas-carbón,

ciclo simple de carbón pulverizado, y ciclo combinado alimentado con gas natural.

Concluyeron que con los nuevos descubrimientos, la captura y secuestramiento del

CO2 puede convertirse en una forma rentable de reducción de las emisiones.

Gambini y Vellini (2000) analizaron termodinámica y económicamente la

reducción de las emisiones de CO2 de las plantas generadoras de potencia

alimentadas por combustibles fósiles mediante el tratamiento de los gases de escape

con el proceso de absorción química. Concluyeron que una remoción del 90% del

CO2 en los gases de escape produce un decrecimiento de la eficiencia del ciclo de

entre 10 y 13 puntos, y un aumento en el costo específico de la energía generada de

entre el 35 y 42% para ciclos de generación de potencia a vapor alimentados por

carbón o petróleo.

Objetivo general Estudiar la factibilidad técnica y económica para la selección e instalación de

precipitadores electrostáticos (PES) en los generadores de vapor de una central

termoeléctrica que permitan disminuir los efectos contaminantes de los gases de

escape, mediante la captación de cenizas y particulado fino.

Objetivos específicos 1. Estudiar detalladamente las variables de operación en el proceso de

combustión en el generador de vapor.

xviii

2. Evaluar el impacto de la colocación de precipitadores electrostáticos en

términos de la caída de presión.

3. Evaluar y analizar los materiales de construcción del precipitador

electrostático y su comportamiento en las condiciones del medio de funcionamiento.

4. Cuantificar el material particulado fino y cenizas captado en el PES

5. Analizar la posibilidad de recuperar el material particulado fino y cenizas

captado en el PES.

6. Seleccionar el PES más convenientes de acuerdo al espacio físico disponible

para su instalación.

7. Estimar los costos de adquisición e instalación de los PES.

8. Plantear los mecanismos de limpieza y mantenimiento de los PES una vez

instalados.

9. Analizar el impacto ambiental que tendrán los gases de escape luego de la

instalación de los PES

1

CAPÍTULO I

ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA.

1.1. La Electricidad de Caracas (EDC).

La Electricidad de Caracas, con 110 años de experiencia, es la empresa

privada proveedora de servicio eléctrico a más de un millón de clientes y cuatro

millones y medio de usuarios, cubriendo una extensión de 5200 Km2, distribuidos

entre la Gran Caracas (Vargas, Guatire, Guarenas, Los Teques) y San Felipe en el

Estado Yaracuy.

En la Electricidad de Caracas se prestan servicios en las áreas de Generación,

Transmisión, Distribución y Comercialización, con una capacidad instalada de 2.289

Megavatios, para satisfacer la demanda de energía eléctrica de nuestras áreas

servidas.

El 100% de la energía que se distribuye es generada en las cinco plantas

termoeléctricas, que utilizan como combustible gas y fuel oil. La Electricidad de

Caracas, desde el año 2000, es filial de la Corporación AES, una empresa

norteamericana líder mundial en el negocio eléctrico, con una generación superior a

los 45.000 Mw, y con más de 11 millones de clientes en 27 países alrededor del

mundo.

1.1.1. Misión

La Electricidad de Caracas es una empresa privada, filial de la Corporación

AES, dedicada a proveer el mejor servicio eléctrico y comprometida a responder las

expectativas de sus clientes, trabajadores y accionistas, contribuyendo así a elevar la

calidad de vida de la sociedad venezolana.

1.1.2. Visión

Ser una empresa reconocida nacional e internacionalmente como líder

innovador, proveedora de un servicio eléctrico de alta calidad, con personal y

2

tecnologías excelentes, financieramente sólida y factor fundamental del sector

eléctrico venezolano.

1.1.3. Principios y Valores.

La gente de AES:

• Pone la seguridad primero. La seguridad siempre está primero, para

nuestra gente, los contratistas y las comunidades.

• Actúa con integridad. Somos honestos, dignos de confianza y

responsables. La Integridad es la esencia en todo lo que hacemos, en la

forma de conducimos y en la manera de relacionarnos los unos con los

otros.

• Honra sus compromisos. Honramos los compromisos con nuestros

clientes, compañeros, comunidades, accionistas, proveedores y socios.

Queremos que nuestro negocio, en general, sea una contribución

positiva a la sociedad.

• Se esfuerza por la excelencia. Nos esforzamos para ser los mejores en

todo lo que hacemos y para operar con niveles de clase mundial.

• Disfruta su trabajo. El trabajo puede ser divertido, gratificante y

emocionante. Disfrutamos de nuestro trabajo y apreciamos la

satisfacción de ser parte de un equipo que está marcando una

diferencia. Y cuando deje de ser de esa manera, cambiaremos lo que

hacemos o cómo hacemos las cosas.

1.1.4. Reseña Histórica:

En 1887 Ricardo Zuloaga, un joven recién salido de las aulas de Ingeniería

hojeaba una revista científica que hablaba sobre el experimento presentado en una

exposición en Frankfurt para transmitir electricidad a distancia. Así en 1891 asiste a

la Exposición Internacional de Electricidad, en Frankfurt, para traer a Venezuela las

nuevas ideas que estaban surgiendo acerca de la producción y el empleo del fluido

eléctrico, contagiado con las ideas que surgen en este siglo, Zuloaga convence a un

3

grupo de inversionistas para fundar el 27 de noviembre de 1895, la Compañía

Anónima La Electricidad de Caracas, con el objeto de vender y utilizar la fuerza

eléctrica en esta ciudad de 72 mil habitantes. La primera Junta Directiva estaba

constituida por Juan Esteban Linares, Eduardo Montauban, Mariano J. Palacios,

Tomás Reyna, Heriberto Lobo, Carlos Machado Romero, Charles R. Rolh, José

María Ortiga, Julio Sabas y Carlos Zuloaga.

Tan sólo dos años más tarde el entonces Presidente de la República asistió al

acto de inauguración de la planta El Encantado de 420Kw, alimentada por el Río

Guaire, esta planta estaba compuesta de dos turbinas Francis de ejes verticales,

fabricadas en los talleres ESCHER WYSS en Suiza, propulsadas por agua que era

conducida por una larga tubería proveniente de una represa ubicada en el Río Guaire

con una diferencia de altura de 36 metros.

En tan sólo tres años la capacidad de la Planta El Encantado se hace

insuficiente por lo que es preciso cuadriplicar la producción y construir una nueva

planta, por esta razón en 1902 se instala la Planta Los Naranjos, ubicada a tres

kilómetros de la Planta El Encantado, constaba de tres unidades de generación

alimentadas por agua proveniente de un caída de 170m, tipo Pelton de 640 caballos de

fuerza acopladas directamente a un generador Brown Boveri de 438Kw, que fueron

instaladas en 1902, 1903, 1908 respectivamente, posteriormente en el año 1911, se

construye la Planta Lira, próxima a la Planta Los Naranjos, debido al incremento

significativo de la demanda de electricidad.

En 1917 La Electricidad de Caracas adquiere la empresa Generadora de

Fuerza y Luz Eléctrica con la emisión de Bonos Prendarios, los primeros en su clase

emitidos en el país, depositados en el Banco de Venezuela.

En 1918 la Planta El Encantado queda fuera de servicio, debido a una gran

creciente del Río Guaire.

El 20 de julio de 1919, se funda en San Felipe la C.A. Fuerza y Luz Eléctrica

del Yaracuy, con el objetivo de realizar el proyecto de electrificación de la ciudad.

Este mismo año se inicia la construcción del Dique de Petaquire, el cual entra en

servicio en 1929, ubicado en un camino montañoso que va desde Caracas hasta la

4

Colonia Tovar. El costo total de la construcción fue de Bs. 2.000.000. Este reservorio

permite aprovechar y regular el caudal de las aguas del Río Mamo que, a su vez,

alimentaba a las plantas hidroeléctricas de El Litoral: Caoma, Mamo y Marapa, las

cuales entrarán en servicio en el año 1933.

Las prolongadas sequías que perjudicaban la continuidad del servicio, muy

pronto obligaron a La Electricidad de Caracas a buscar alternativas para evitar la

dependencia de la generación hidráulica. Por esta razón en 1931 se instala la Planta

La Guaira, la primera central termoeléctrica de su capacidad generadora, operada con

petróleo.

En el año 1934 la Electricidad de Caracas realiza un conjunto de inversiones

como lo fueron: la adquisición de la energía eléctrica producida por la "Compañía

Anónima Unión Venezolana de Electricidad", la cual contaba con una planta

hidroeléctrica que aprovechaba la caída del Río Naiquatá, y la compra de la energía

producida por la Central Ayala, en Petare. Ese mismo año entra en servicio la Planta

Izcaragua, ubicada en la vía hacía Guarenas, la cual fue construida con un préstamo

del Banco Caracas de Bs. 1.500.000. Las fuertes lluvias de diciembre ocasionaron

derrumbes que obstruyeron el canal de desagüe de Petaquire, poniendo en peligro de

destrucción las Plantas del sistema Río Mamo.

Mientras en 1935 se vislumbra un vertiginoso crecimiento de la ciudad, La

Electricidad de Caracas invierte en la construcción de más plantas con mayor

capacidad de generación. De esta época datan las centrales hidroeléctricas de

Curupao e Izcaragua, ubicadas hacia el valle de Guarenas, la planta Marapa, en el

Litoral Central, y la ampliación de la planta termoeléctrica Ricardo Zuloaga.

En 1942 Se crea la C.A. Fuerza y Luz Eléctrica de Venezuela (CALEV),

subsidiaria de la American Foreign Power Co.

En 1947 se iniciarán los trabajos preliminares para dar vida a lo que sería el

mayor proyecto de generación llevado a cabo en el país hasta la fecha: el complejo

termoeléctrico de Arrecifes, operado con gas o petróleo.

La política es aumentar la infraestructura física para cubrir la creciente

demanda de servicios. En Caracas específicamente en el Marques, se instala la planta

5

El Convento que permitirá atender la demanda en las horas de máxima carga. Esta

unidad será operada a gas. Su puesta en marcha fue un acontecimiento mundial, ya

que por primera vez turbogeneradores de esas dimensiones eran operados a control

remoto.

En 1949 se construye la Planta El Cortijo, ubicada al norte de Caracas y no es

sino hasta 1950 que entra en funcionamiento la primera unidad de la Planta Arrecifes,

la cual sufre grandes daños en 1951, recuperando la normalidad operativa en cuatro

semanas de arduo trabajo. Este mismo año La Planta El Encantado queda fuera de

servicio tras sufrir daños graves después de un accidente. En el año 1956, entra en

funcionamiento La Planta Termoeléctrica de Tacoa y en 1957 las plantas Los

Naranjos y La Lira, también ubicadas en las adyacencias del Río Guaire, dejan de

prestar sus servicios.

En 1963 se inician las conversaciones para realizar la interconexión de las

empresas eléctricas del país. Para unificarse tuvieron que cambiar la frecuencia de

transmisión de 50Hz a 60Hz mediante la firma de un contrato con la CVG en el año

1966, luego en 1968 se firma el Contrato de Interconexión de los sistemas eléctricos

de CADAFE, Corporación de Guayana, EDELCA y La Electricidad de Caracas para

armonizar los esfuerzos, técnicos y financieros, en el proceso de suministro de

energía para el pleno desarrollo de Venezuela y finalmente en 1969 la EDC comienza

a formar parte del Sistema Interconectado Nacional (SIN).

Ya se corría el rumor que estaba en vías de construcción la mayor central

hidroeléctrica de Latinoamérica propiedad del Estado, y con el intercambio de

energía sería posible racionalizar los recursos petroleros.

En 1967 se inaugura C.A. La Electricidad de Guarenas y Guatire

(ELEGGUA), empresa filial de la EDC construida para suplir de energía eléctrica a

los Municipios Plaza, Zamora y parte de Acevedo, del Estado Miranda, ese mismo

año La Electricidad de Caracas comienza los trabajos para la instalación de la planta

Oscar Augusto Machado, ubicada en la carretera Panamericana, dicha planta es

inaugurada el 21 de noviembre de 1969, esta central termoeléctrica estaría

conformada por cuatro turbinas que se utilizaban como generadores a gas.

6

En la década de los años 70 el crecimiento de Caracas comienza a ser

desmesurado. Era urgente acometer la construcción de centrales termoeléctricas para

cubrir la demanda por lo que se inicia la construcción de la ampliación de la planta

termoeléctrica de Tacoa.

Este nuevo complejo constará de tres unidades turbogeneradoras de 400

megavatios cada una, fue una obra de magnitudes nunca antes ejecutadas en el país.

Actualmente éste constituye el Conjunto Generador Ricardo Zuloaga, conformado

por las unidades de las Plantas Arrecifes, Tacoa y Ampliación Tacoa. Hacía 1987 la

empresa se abre nuevos horizontes en áreas relacionadas a su negocio. Es entonces

cuando nacen las filiales SERDECO, TURGENCA, TRANSCASA y MEDIVENSA

(actualmente empresas filiales de Corporación EDC).

En 1996 se crea la Corporación EDC, empresa subsidiaria que agrupa a todos

los negocios no regulados de la EDC, para separar el negocio del servicio público de

electricidad de otros negocios relacionados al área de energía, suministro y

tratamiento de agua, telecomunicaciones y servicios e industrias relacionadas. A

través de la Corporación EDC se inicia un proceso de expansión internacional que

llevó a la empresa a invertir en empresas distribuidoras en Colombia y El Salvador en

consorcio con la empresa americana Reliant Energy.

El 1 julio del año 2000, la empresa norteamericana The AES Corporation, en

una Oferta Pública de Acciones, adquiere el 87,1% de las acciones de La Electricidad

de Caracas.

Mientras tanto, La Electricidad de Caracas continúa expandiéndose y

mejorando sus áreas de generación, transmisión, distribución y comercialización de

electricidad, prestando servicio eléctrico a más de un millón de clientes de la capital

venezolana, Litoral Central, Altos Mirandinos, Guarenas-Guatire y la ciudad de San

Felipe, en el estado Yaracuy.

Actualmente la demanda de energía eléctrica en Caracas, está estimada en

1.887 Mw, por lo que La Electricidad de Caracas cuenta con un parque de generación

conformado por 3 plantas con una capacidad de 2.236 Mw, lo cual representa el 11 %

del sector eléctrico venezolano (ver Fig.1.1).

7

Fig.1.1. Capacidad Instalada por empresa Fuente: OPSIS.

El parque termoeléctrico de EDC utiliza como combustible gas y fuel oil (ver

Fig.1.2).

Fig.1.2. Consumo de combustible Fuente: OPSIS.

CADAFE; 3719; 19%

EDELCA; 12246; 63%

g a s 100 86 8 9 %

8

1.2. Conjunto Generador Ricardo Zuloaga (CGRZ).

El Conjunto Generador Ricardo Zuloaga, ubicado en Arrecifes, Estado

Vargas, Distrito Federal, esta conformado por dos unidades de negocios del

departamento de producción de La Electricidad de Caracas, las unidades de negocios

que constituyen dicho conjunto de generación son: La Unidad de Negocios Arrecifes

– Tacoa y La Unidad de Negocios Ampliación Tacoa.

La Unidad de Negocios Arrecife – Tacoa está formada por La Planta Tacoa, la

cual consta de seis (6) unidades generadoras con capacidades Unidades I y II de 41

Mw, Unidades III y IV de 60 Mw y Unidades V y VI de 72 Mw y La Planta Arrecifes

que posee cinco unidades generadoras de 25 Mw y 40 Mw.

La Unidad de Negocios Ampliación Tacoa posee tres (3) unidades

generadoras Unidad VII, VIII y IX de 400 Mw cada una.

Cada una de las unidad del conjunto consta de una turbina de múltiples etapas

para la expansión del vapor y por ende la realización de trabajo, un generador

eléctrico para transformar la energía mecánica en el eje de la turbina a energía

eléctrica como corriente trifásica, un generador de vapor para el quemado de gas o

fuel – oil, un condensador principal superficial con doble cámara cuya finalidad es

condensar todo el vapor proveniente de la turbina procurando mantener el mayor

vacío posible y así lograr una mejor eficiencia, dos bombas de condensado, un tren de

calentamiento de baja, media y alta presión que utilizan el vapor tomado de las

extracciones de vapor de la turbina para aumentar la temperatura del agua del ciclo

antes de que la misma entre a la caldera, dos bombas de alimentación a la caldera, dos

bombas de agua de circulación y dos bombas de agua salada para enfriamiento.

1.2.1. Misión y Visión de las unidades de Negocios del Conjunto

Generador Ricardo Zuloaga.

En las unidades de negocios del C.G.R.Z, se establecen prioridades en el

control de riesgos orientadas a contribuir al logro, teniendo como prioridad la

integridad de la gente, basados en los programas de control de pérdidas para servir al

mundo, mediante la Producción Confiable de la Energía Eléctrica a un costo

9

razonable, de forma segura y limpia, con responsabilidad social y el desarrollo de

todo el potencial de su gente, en un ambiente de diversión.

Para cumplir la misión de producir energía eléctrica de manera segura y

limpia la EDC utiliza en todas sus plantas como combustible gas natural. La

seguridad es un objetivo permanente y prioritario que se extiende fuera del ámbito

laboral y se proyecta hacia las empresas contratistas, las familias y las comunidades

cercanas de la empresa. En este sentido, y para el logro de altos niveles de seguridad,

la EDC y el CGRZ se fundamenta en las normas COVENIN y los indicadores OSHA,

así como en los siguientes principios:

La seguridad, la higiene y la prevención de incidentes y accidentes son una

responsabilidad individual que forma parte del trabajo diario y que debe estar

integrada en todas las tareas que se realizan.

La participación activa en la toma de decisiones del Programa de Seguridad es

clave para el éxito.

El cumplimiento de las Normas de Seguridad es responsabilidad de todos, así

como el reporte de condiciones de riesgo, la utilización de los equipos de protección

personal como cascos, botas y lentes de seguridad, y la realización de las pruebas

correspondientes para evitar situaciones de riesgo.

La investigación de los accidentes e incidentes es indispensable para emitir

conclusiones, recomendaciones y hacer seguimientos. Los mismos no son producto

del azar y debe evitarse la posibilidad de ocurrencia de contingencias similares.

Un símbolo del compromiso y de responsabilidad que se tiene con la

seguridad y el bienestar del personal de la EDC, es El Casco Dorado, un

reconocimiento otorgado a la EDC por la empresa Walco Industrial S. A., compañía

especializada en la comercialización de Equipos de Seguridad y Protección.

1.2.2. Reseña Histórica:

En 1947 se inician los trabajos preliminares para dar vida a lo que sería el

mayor proyecto de generación llevado a cabo en el país hasta la fecha: el complejo

10

termoeléctrico de Arrecifes. Construida en una costa del litoral central, y llamada

Arrecifes por sus condiciones geográficas estratégicas.

Esta planta entra en funcionamiento con su primera unidad en el año 1950, y

la misma sufre grandes daños en 1951, recuperando la normalidad operativa en cuatro

semanas de arduo trabajo.

Fig. 1.3. Planta Arrecifes

Fuente: Página web EDC.

En 1953 se inicia la construcción de la Planta Tacoa, aplicando un relleno de

rocas sobre un lecho coralino y ganando 34.700 m2 de terreno al mar, pero no es sino

hasta 1956 cuando esta planta entra en funcionamiento. En 1960 se amplió este

relleno a 62.940 m2.

11

Fig. 1.4. Planta Arrecifes – Tacoa


En el año 1975 se inicia el proyecto de ampliación de la planta Tacoa, con el

fin de cubrir la demanda de los consumidores caraqueños que crecían de manera

desmesurada. La construcción de esta planta fue una obra de magnitudes nunca antes

ejecutadas en el país. Actualmente éste constituye el Conjunto Generador Ricardo

Zuloaga, conformado por las unidades de las Plantas Arrecifes, Tacoa y Ampliación

Tacoa.

12

Fig. 1.5. Planta Ampliación Tacoa

Fuente: Página web Toshiba.

Las unidades V y VI de Tacoa y VII, VIII y IX de Ampliación Tacoa fueron

repotenciadas y este trabajo se culmina en el año 1992.

En 1995 entra en servicio un nuevo sistema de almacenamiento, manejo y

suministro de gas licuado de petróleo para ser usado como combustible alterno en el

encendido de los pilotos de las calderas, en caso de ausencia total de energía en

Ampliación Tacoa. Este mismo año entra en servicio una nueva planta desaladora que

permite incrementar el procesamiento de agua de mar.

13

Fig. 1.6. Conjunto Generador Ricardo Zuloaga;


14

CAPÍTULO II

MARCO METODOLÓGICO

Los aspectos metodológicos contemplan los pasos a seguir en el desarrollo de

un trabajo, con la finalidad de señalar el nivel de la profundidad con el cual se aborda

un objetivo en específico, respondiendo a donde se quiere llegar y al método y

técnicas que han de utilizarse.

Los elementos de apoyo metodológico para llevar a cabo una investigación

dependen del tipo de estudio, del método de la investigación, de las técnicas para la

recolección de datos y del tratamiento que se le dé a la información.

En el primero de los elementos a seguir, Carlos Méndez (2001) señala:

“Según el nivel de conocimiento científico (observación, descripción, explicación) al

que espera llegar el investigador, se debe formular el tipo de estudio. El propósito es

señalar el tipo de información que necesita, así como el nivel de análisis que deberá

realizar”. En la selección del tipo de estudio debe tenerse en cuenta los objetivos y las

hipótesis planteadas.

Dentro de los tipos de investigación utilizados para el inicio y desarrollo de

este trabajo de grado se pueden mencionar:

• Los estudios exploratorios

• Los estudios descriptivos

2.1. Estudios exploratorios

Son considerados como la primera etapa en el inicio de la investigación. Se

basa en el reconocimiento del espacio donde se está trabajando, permitiendo aclarar

conceptos y establecer preferencias en el desarrollo de la investigación. En este

sentido, el estudio exploratorio permite formular hipótesis de primer y segundo

grado, las cuales pueden ser relevantes en el estudio propuesto.

15

2.2. Estudios descriptivos

Consisten en describir las características que identifican los diferentes

elementos y componentes y su interrelación. Su propósito es la delimitación de los

hechos que conforman el problema de la investigación. Así, el estudio descriptivo

identifica características del ambiente, señala formas de conducta y actitudes del

ambiente investigado, establece comportamientos concretos y descubre y comprueba

la asociación entre variables de investigación.

Sobre éste tema Carlos Méndez (2001) señala: “los estudios descriptivos

acuden a técnicas específicas en la recolección de información, como la observación,

las entrevistas y los cuestionarios. También pueden utilizarse informes y documentos

elaborados por otros investigadores”. Es importante destacar que en el estudio

descriptivo se pueden generar terceras hipótesis luego de las conclusiones a que

pueda llegarse con la información obtenida.

Siguiendo con los elementos de apoyo metodológicos, a continuación se

describe el método de investigación y las técnicas de recolección de información

utilizada para esta investigación.

Dentro del ambiente de los métodos de investigación se utilizo el método de

observación.

2.3. Método de observación

Consiste en advertir los hechos como se presentan, de una manera espontánea,

y consignarlos por escrito luego de percibir activamente la realidad exterior. Para

lograrlo el observador formará parte de un grupo de trabajo donde se tendrá mayor

visión de las necesidades del sistema a proponer logrando discutir sobre el problema

planteado. Al respecto Carlos Méndez (2001) señala que la observación es “el

proceso mediante el cual se perciben deliberadamente ciertos rasgos existentes en la

realidad por medio de un esquema conceptual previo y con bases en ciertos

propósitos definidos”.

16

Considerando a la información como materia prima para el desarrollo de un

proyecto de investigación, dentro de las técnicas para la recolección de información

se pueden citar:

• Fuentes primarias

• Fuentes secundarias

• Observación

• Observación participante y no participante o simple

• Cuestionarios y entrevistas

2.4. Fuentes primarias

Son todas aquellas informaciones que el investigador debe recoger en forma

directa.

Cuando esto sucede hablamos de una fuente primaria e implica utilizar

técnicas y procedimientos que suministren la información adecuada.

2.5. Fuentes secundarias

Son aquellas fuentes que suministran información básica. Se encuentran en las

bibliotecas y están contenidas en libros, periódicos, y otros materiales documentales,

como trabajos de grados, revistas especializadas, enciclopedias, diccionarios,

manuales, etc.

2.6. Observación

Anteriormente se había hecho referencia a la observación como un proceso

del conocimiento científico. Ahora se presenta como una técnica de recolección de

datos.

Carlos Sabino (1980) citado por Carlos Méndez (2001) la define: “La

observación puede definirse como el uso sistemático de nuestros sentidos en la

búsqueda de los datos que necesitamos para resolver un problema de investigación”.

17

2.6.1. Observación participante

Es cuando el investigador forma parte activa del grupo observado y asume sus

comportamientos. Sobre este aspecto Carlos Méndez (2001) señala que la

observación:”Puede ser directa cuando el investigador pertenece al grupo,

organización o realidad sobre la cual se investiga”.

2.6.2. Observación no participativa o simple

Cuando el observador no pertenece al grupo y sólo se hace presente con el

propósito de obtener la información. Ésta resulta útil cuando se trata de conocer

hechos o situaciones que de algún modo tiene cierto carácter público o que por lo

menos no pertenecen estrictamente a un ambiente privado.

2.7. Cuestionarios

El cuestionario se hace con la finalidad de obtener información de una

población que conoce del área de investigación. Se puede aplicar por correo o a través

de llamadas telefónicas. Carlos Méndez (2001) señala: “la formulación de estas

preguntas depende de la índole del problema que se quiere estudiar y de los aspectos

a formular”. Como punto adicional, “el diseño de la investigación debe contener

información sobre el universo de investigación, tamaño de la muestra y formulario

preliminar que va a ser aplicado”.

De acuerdo a los conceptos expuestos anteriormente, a continuación se

describen las etapas que fueron necesarias para la realización de este trabajo de grado.

2.8. Etapa Nº 1. Levantamiento de la información.

El proyecto se realizó en el C.G.R.Z, planta Ampliación Tacoa, ubicada en el

sector arrecifes, estado Vargas, en la primera fase de este proyecto se estudió el

funcionamiento de ésta central termoeléctrica para reconocer el espacio de trabajo, lo

cuál permitió aclarar conceptos y establecer las preferencias en el desarrollo de la

investigación. Para ello, se realizaron varias visitas a las instalaciones que serían

18

objeto de estudio, como por ejemplo: áreas circundantes a la chimenea, donde se

pudo observar la disposición de elementos importantes tales como: precalentadores y

red de ductería asociado al traslado de los gases; así como también el reconocimiento

del espacio asignado por la empresa para llevar a cabo la instalación; con la finalidad

de obtener de manera directa (fuentes primarias), a través de la observación

participante como método de la recolección de datos, la información necesaria para el

entendimiento y correcto desarrollo de este trabajo.

Luego de establecer los puntos de trabajo (chimenea, ductos, espacio

disponible, etc.), se procedió al levantamiento de la información de los elementos que

formaron parte del estudio, utilizando fuentes secundarias (manuales, trabajos de

grado, normas nacionales e internacionales, internet, planos, entre otras) de acuerdo al

objetivo específico planteado. Adicionalmente se utilizaron los cuestionarios como

método de recolección de datos mediante entrevistas personales y correos

electrónicos y llamadas telefónicas, con el fin de obtener información más detallada

de personas especialistas en las diferentes áreas de estudio afianzando los conceptos e

informaciones obtenidas a través del uso de fuentes primarias y secundarias.

2.9. Etapa Nº 2. Descripción y análisis de los sistemas de estudio.

Conocido el ambiente de trabajo, se procedió a describir los sistemas

asociados a esta investigación, comenzando con los elementos más simples y fáciles

de conocer, para ir ascendiendo poco a poco al conocimiento más complejo. Las

herramientas utilizadas para la redacción, realización de dibujos y tablas

programadas, en las diferentes descripciones fueron los paquetes computacionales:

Microsoft Word, Microsoft Excel, Paint.

Para la realización de este estudio se consideró principalmente el sistema aire-

combustible y el espacio disponible para realizar la instalación del PES, lo primero

con la finalidad de establecer los cambios de presión en la extensión del circuito y lo

segundo para optimizar someramente las dimensiones del PES adecuado.

19

2.10. Etapa Nº 3. Resultados.

Considerada como la última etapa en el desarrollo de este trabajo de grado, se

ordenó en esta fase toda la información y resultados obtenidos mediante las técnicas

de investigación y recolección de datos, así como los resultados de las descripciones

de los sistemas que fueron objeto de estudio, para generar conclusiones y

recomendaciones de la factibilidad de instalar PES, previo al análisis económico y

ambiental asociado a éste.

Como punto adicional, en esta última etapa se utilizó el método de la

información no participante con la finalidad de conocer el impacto económico que

podría generar a la empresa la instalación de precipitadores electrostáticos.

20

CAPITULO III

DESCRIPCIÓN OPERATIVA DEL PROCESO

3.1. Breve descripción de una central termoeléctrica a vapor.

En la figura 3.1 podemos apreciar un esquema que muestra los componentes

característicos de una central con turbina a vapor. El combustible y el aire ingresan (2

y 3) al generador de vapor o caldera (1), produciendo el vapor a temperatura y

presión adecuadas. El vapor se lleva a la turbina (6) en donde se expande y al hacerlo,

entrega su energía en forma de movimiento rotativo en su eje, el que a su vez,

impulsa al alternador (16) o generador asincrónico, que produce la red trifásica que el

transformador (17) adapta para la red o la línea de transmisión. El vapor, una vez que

entrego su energía en la parte rotante sale a baja presión y temperatura e ingresa en el

condensador (12), en donde se transforma en agua mediante el enfriamiento que le

produce el agua de refrigeración proveniente de una fuente adecuada. Una vez salida

el agua del condensador, una bomba de extracción (13) y otra de alimentación (14) la

ingresan a la caldera, para reiniciar el ciclo.

Fig. 3. 1. Esquema de una central termoeléctrica a vapor. Fuente: www.textoscientificos.com. Centrales a vapor.

21

Como este ciclo termodinámico no puede ser perfecto y hay pérdidas (de

vapor y de agua) que es necesario reponer, la instalación está provista del sistema de

agua de reposición, con un tanque de agua cruda (7), su depurador (8) y su

desgasificador (9).

También puede advertirse que el sistema muestra que de la turbina sale vapor

que ya cumplió su misión pero aún conserva calor aprovechable y una extracción e

intercambiador de calor (10) lo reingresan al ciclo. Este circuito muestra un

sobrecalentador (5) que agrega más calor al vapor y un economizador (4) que calienta

el agua al ingresar a la caldera para vaporizarse.

Generador de vapor: Los generadores de vapor son instalaciones industriales

que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua

para aplicaciones en la industria.

Un generador de vapor es un dispositivo que quemando un combustible le

transfiere calor al agua de alimentación generando vapor. La unidad generadora de

vapor consiste en general de aparatos requeridos para poner a disponibilidad el calor

del combustible, y aquellos necesarios para transferir el fluido que se calienta tanta

energía como sea comercialmente factible. El aparato debe funcionar de tal manera y

transmitir calor al medio de trabajo a tal rata que el vapor generado resultante se

entregue tan rápidamente como se necesite en la condición deseada.

La unidad generadora de vapor propiamente dicha consiste por lo menos de

una caldera o hervidor, y un hogar; y además puede incluir otros elementos de

absorción de calor como un sobrecalentador, un economizador, un precalentador de

aire, un recalentador, pantallas de agua enfriadas por aire, pantallas de agua enfriadas

por agua, cortinas de agua o un fondo de hogar enfriado por aire o por agua. Además

de estos elementos principales pueden necesitarse equipos auxiliares para ayudar al

funcionamiento correcto de la unidad.

Tubos: estos son los que permiten la transferencia de calor de los gases de

combustión al agua para generar vapor. Se construyen de materiales resistentes a las

altas temperaturas y a la corrosión.

22

Sobrecalentadores: consisten de tubos a través de los cuales e hace pasar el

vapor saturado que sale del tambor para que se caliente con los gases de escape que

pasan sobre su superficie. La función de un sobrecalentador es levantar la temperatura

del vapor por encima de su temperatura de saturación con la menor caída de presión

posible. Se tienen los siguientes tipos de sobrecalentadores:

- Sobrecalentadores separados.

- Sobrecalentadores integrales (de convección o de radicación).

Economizador: como los productos de combustión no pueden enfriarse en una

unidad a una temperatura inferior a la del agua saturada dentro de la caldera, sino que

están a una temperatura mayor a fin de que exista una diferencia de temperatura

considerable aún con respecto a la última superficie de calentamiento, los gases de

escape arrastran consigo bastante calor a la chimenea. Para recuperar parte de ese

calor se colocan economizadores a las unidades simples. Estos elementos usualmente

consisten de tubos que se colocan en el camino de los gases de escape y a través de

los cuales se hace pasar el agua de alimentación en camino hacia la caldera. El calor

así recuperado reduce la cantidad requerida de combustible para convertir el agua de

alimentación en vapor, aumentándose así el rendimiento de la unidad.

Recalentadores: con la aplicación comercial del uso e altas presiones en

plantas termoeléctricas, la cual hace necesario recalentar el medio de trabajo después

que ha pasado parcialmente por la turbina, se añadieron recalentadores y comúnmente

se incorporan dentro de las calderas de modo que parte del calor liberado en el hogar

pase sobre sus tubos a través de los cuales fluye el vapor parcialmente expandido que

se va a calentar.

Precalentadores de aire: es un aparato de transmisión de calor por el cual se

pasa el aire requerido para la combustión para que se caliente por medio de los gases

de escape. En estos aparatos el aire que se usa para la combustión se calienta por

contacto con las paredes de tubos o láminas, el otro lado de los cuales está expuesto a

los gases calientes de escape. El calor así devuelto al hogar reduce la cantidad de

combustible quemado.

23

Chimeneas y tipos de tiro: las chimeneas son tubos largos verticales cuya

función es la de expulsar los gases tóxicos de la combustión a la atmósfera lo más

alejado de la planta posible.

El tiro es la diferencia en la presión absoluta del gas en cualquier punto dado

de un conducto cerrado y la de la atmósfera a la misma elevación.

Tipos de Tiro: teóricamente todos los sistemas de tiro comienzan con el aire

de entrada a la presión atmosférica y terminan con los gases de escape también a la

presión atmosférica. Sin embargo, existen diferencias de presión de entre cada

componente del sistema.

- Tiro Natural: en este la presión retorna a la atmosférica, debido a la acción de

succión de la chimenea.

- Tiro Equilibrado: el ventilador de tiro forzado levanta la presión por encima

de la atmosférica a través del quemador. Luego ocurren caídas de presión en el

hogar y en la salida de la caldera. El ventilador de tiro inducido toma el tiro que

se está agotando y lo levanta hasta la presión base en el tope de la chimenea. En

ambos casos la presión del hogar está en una gama negativa.

- Tiro con Hogar a Presión: el ventilador de tiro forzado mantiene el sistema

sobre la presión atmosférica del comienzo al fin.

Aparatos para producir tiro: estos se construyen en gran variedad de formas

entre las cuales hay que seleccionar las apropiadas para cada planta en particular.

Para tiro natural se emplean las chimeneas, y para tiro mecánico, los ventiladores de

tiro forzado y los de tiro inducido, según se trate de suministrar aire para la

combustión o extraer los gases de escape, respectivamente.

La función del equipo para producir tiro consiste esencialmente en suministrar

la energía necesaria para mantener el flujo requerido de aire y gas a través del

sistema. Esta energía puede provenir de los ventiladores o de los gases calientes de la

chimenea.

24

El tiro total de un sistema de combustión es la suma aritmética de todas las

pérdidas de tiro en serie del circuito. Una clasificación de estas pérdidas de tiro es la

siguiente:

D1= Carga de velocidad, V2/2g. Como la velocidad y la presión se ínter

convierten parcialmente a lo largo del conducto de gas, la velocidad final de salida

del gas de la chimenea es la que deberá considerarse al calcular el tiro total requerido.

D2 = Resistencia de la capa de combustible. Se aplica fundamentalmente a los

quemadores utilizados en el sistema.

D3 = Pérdida de tiro producida por los rozamientos y turbulencia de la

corriente de gas al recorrer el equipo de combustión. Para saber esto debe consultarse

siempre que sea posible los datos de los fabricantes de los equipos.

D4 = Pérdidas de tiro debidas al rozamiento en los ductos del aire, en las

cámaras de humo y en la chimenea.

Estas pérdidas pueden calcularse con la siguiente ecuación:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gRHfVD g

21000

2

4

ρ m de H2O (3.1)

Donde: H = longitud del ducto, en m.

R = Radio hidráulico de la sección transversal, en m.

(Área dividida por el perímetro)

V = Velocidad del gas, en m/seg.

gρ = Densidad del gas, en kg/m3.

f = Coeficiente de rozamiento.

Cuando se suman todas las pérdidas de tiro, el total representa una presión en

un fluido, que deberá ser igualada por la creada por el equipo que produce el tiro.

Este generalmente consiste en ventiladores y chimeneas, aunque ocasionalmente se

usen chorros de aire y de vapor para auxiliar a los otros sistemas de tiro, o para

25

aumentar el tiro localmente. La tabla (3.1) muestra los factores de fricción del flujo

de aire y gases de acuerdo a los materiales utilizados.

Coeficientes de fricción (f)

Aire contra acero 0,005

Aire contra mampostería y concreto 0,007

Gases de la combustión contra acero 0,014

Gases contra mampostería y concreto 0,014

Tabla 3.1. Coeficientes de fricción Fuente: Elaboración propia con datos tomados de Centrales Eléctricas. Frederick Morse

a) Tiro teórico en la chimenea.

La presión de vacío que podría ser producida en la base de la chimenea sin

pérdidas por fricción es el tiro teórico en la chimenea. Esto el resultado de la

diferencia entre los pesos específicos del aire atmosférico circundante y los gases

dentro de la chimenea por la altura de la misma. Lo anterior puede ser expresado por

la siguiente ecuación:

Tiro de la chimenea=L (γa – γg) (3.2)

Donde:

L= altura de chimenea, ft.

γa = peso específico del aire exterior, lb/ft3

γg = peso específico de los gases en la chimenea, lb/ft3

Luego considerando lo anterior y sabiendo que una lb/ft2 equivale a 0.192 in

de H2O se puede escribir la ecuación de tiro de la chimenea como:

Tiro de la chimenea = 0.192L (γa – γg) (3.3)

Como el peso por ft3 de aire (gas) varia de forma inversa a la temperatura

absoluta, la ecuación también puede ser escrita:

26

Tiro de la chimenea = ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

ga TTLp 1152,0 (3.4)

Donde:

Tiro de la chimenea = tiro inducido, in. de H2O

L = Altura de la chimenea sobre el nivel de entrada del gas, ft

p = presión atmosférica, psia

Ta = temperatura del aire exterior, (absoluta) ºR =ºF + 460

Tg = temperatura promedio (absoluta) de los gases en la chimenea, ºR = ºF +

460

b) Temperatura promedio en la chimenea.

Los gases pasan a través de la chimenea perdiendo calor a través de las

paredes de la chimenea al exterior. Por la infiltración de aire frío, las temperaturas en

la chimenea pueden ser disminuidas en una proporción apreciable. La pérdida de

temperatura depende del tipo de chimenea, diámetro de la chimenea y su altura, y un

número de variables que influyen en el lado exterior.

2.. salent

gpromTT

TT+

== (3.5)

c) Pérdidas por fricción en la chimenea.

En el flujo de gases a través de la chimenea existen pérdidas por fricción y

pérdidas en salida de la chimenea. Obviamente, el tiro inducido disponible es la

diferencia entre el tiro natural determinado por la fórmula de tiro y las perdidas por

fricción en la chimenea propiamente. Las perdidas por fricción pueden ser

determinadas por la ecuación (3.6), la cual está basada en la ecuación de Fanning.

27

Pérdidas por fricción en la chimenea = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ 1100000

0942.02

4ii

g

DfLw

DT

(3.6)

Donde:

Pérdidas por fricción en la chimenea están dadas en in de H2O

w = flujo másico de los gases, lb/hr

Di= Diámetro interno de la chimenea sobre la entrada de los gases, ft

L = Altura de la chimenea sobre el nivel de entrada del gas, ft

f = factor de fricción

Tg= Temperatura promedio del gas (absoluta), ºR = ºF + 460

El tiro disponible es el tiro teórico, ecuación (3.2), menos las pérdidas por

fricción en la chimenea, ecuación (3.6). El tiro total en la chimenea es usualmente

menor al 5 % del tiro calculado.

Agua-vapor: en la central termoeléctrica, el vapor descargado por la turbina,

es condensado en el condensador a superficie, por medio del agua de circulación. El

condensado es aspirado por la bomba de extracción y conducido al desgasificador

después de haber sido calentado en el precalentador. Del tanque el condensado fluye

a la bomba de alimentación que manda el agua a la caldera. El agua de alimentación

evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina y, completando así el

circuito cerrado del agua de alimentación.

La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de

agua fría. La refrigeración de condensador se efectúa en circuito cerrado. El agua de

circulación, que se calienta en el condensador condensando el vapor descargado por

la turbina, es enfriada a su vez por agua de mar y luego impulsada por la bomba de

circulación.

Condensador: Este dispositivo tiene como función condensar el vapor que

sale de la turbina para ser utilizado nuevamente. El condensador requiere de un gran

28

caudal de agua para que el vapor pueda condensarse, por tal razón usualmente este

tipo de plantas se colocan cerca del mar para utilizar esta agua para la condensación.

Turbinas de vapor: son los dispositivos por los cuales pasa el vapor, el cual

pasa a través e unos álabes. El paso de vapor hace mover las turbinas las cuales

mueven al generador que produce la energía. Para turbinas a vapor, la temperatura

máxima está hoy limitada a unos 540 a 600ºC. Las presiones máximas son de unos 35

MPa (350 bar). El tener altas presiones de admisión requiere una construcción

robusta para las turbinas de vapor.

29

3.2 El Petróleo como combustible.

3.2.1. Definición.

El petróleo es una mezcla en la que coexisten en fases sólida, liquida y

gaseosa, compuestos denominados hidrocarburos, constituidos por átomos de carbono

e hidrogeno y pequeñas proporciones de heterocompuestos con presencia de

nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Es una de las sustancias más valiosas

de que podemos disponer, también conocida como "aceite mineral".

La palabra petróleo, proviene de las voces latinas petra y oleum, que

significan piedra y aceite, no porque sea aceite de piedra, sino por estar aprisionado

entre piedras.

El petróleo también es comúnmente llamado “petróleo crudo”, “crudo

petrolífero” o sencillamente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la

superficie terrestre y es empleado como combustible y materia prima en el sector

industrial.

3.2.2. Orígenes.

Durante algún tiempo se tuvo la convicción de que el petróleo era de origen

inorgánico, es decir, que se había formado dentro de la Tierra mediante reacciones

químicas. En la actualidad, y de manera casi general, los científicos concluyen que el

petróleo se origina de una materia prima formada principalmente por detrito de

organismos vivos acuáticos, vegetales y animales, que vivían en los mares, las

lagunas o las desembocaduras de los ríos, en las cercanías del mar y que han

permanecido enterradas por largos siglos.

Durante la era terciaria en el fondo de los mares se acumularon restos de

peces, invertebrados y, probablemente, algas, quedando sepultadas por la arena y las

arcillas sedimentadas. Las descomposiciones provocadas por microorganismos,

acentuadas por altas presiones y elevadas temperaturas posteriores, dieron origen a

hidrocarburos. Al comenzar la era cuaternaria los movimientos orogénicos

convulsionaron la corteza terrestre y configuraron nuevas montañas, la cordillera de

los Andes entre ellas. Los estratos sedimentarios se plegaron y el petróleo migró a

30

través de las rocas porosas, como las areniscas, hasta ser detenido por anticlinales,

pliegues con forma de A mayúscula, y por fallas que interrumpieron la continuidad de

los estratos. El yacimiento no debe imaginarse como un gran "lago" subterráneo. El

petróleo ocupa los intersticios de rocas sedimentarias muy porosas, acompañado

habitualmente de gas natural y de agua salada.

3.2.3. Composición y variedad.

Cada yacimiento de petróleo está constituido por una mezcla de miles de

hidrocarburos diferentes formados por la asociación de átomos de carbono e

hidrógeno, cuyo origen todavía es mal conocido; a esta mezcla se agregan cantidades

variables de sustancias que contienen azufre, nitrógeno y oxígeno.

En la naturaleza se consiguen acumulaciones que son puro gas. Este último se

puede encontrar seco o húmedo dependiendo de la impregnación del hidrocarburo

líquido que lo contenga. En estado líquido es encontrado como liviano, mediano o

pesado y su composición es variable dependiendo del lugar donde se realiza la

extracción. Generalmente tiene un olor muy desagradable y su densidad esta definida

según los grados API. (Instituto Americano del Petróleo).

Los grados API denotan la relación correspondiente del peso específico y de

fluidez de los crudos con respecto al agua. En este sentido se pueden encontrar,

debido a la gran variedad de crudos, densidades que van desde los 0,75 a 1,1 (kg/l) lo

que equivale a 52,7 y –3 grados API respectivamente. Estas combinaciones de

carbono e hidrógeno en su forma natural son sometidas a procesos de transformación

(refinación) que rinden en muchos derivados.

Según la predominación de uno de los compuestos característicos el petróleo

se puede clasificar en:

1. crudos parafínicos, particularmente parafinas y ceras naturales.

2. crudos nafténicos, con una cantidad grande de naftenos, hidrocarburos de

series anulares o cíclicos.

3. crudos aromáticos, en los que se encuentran hidrocarburos bencénicos.

31

4. crudos sulfurosos, que contiene sulfuro de hidrógeno y mercaptanos formados

por la fijación de azufre sobre un hidrocarburo.

5. crudos particulares, como los crudos bituminosos, que son los crudos de muy

bajo contenido en azufre, y los crudos polucionados por ácidos, metales

(vanadio, níquel, arsénico), sales, agua salada, etc.

3.2.4. Petróleo en Venezuela.

Venezuela por ser un país productor de petróleo y uno de los países que forma

parte de la reserva internacional produce una gran variedad de destilados del “crudo”

tanto para la venta internacional así como también para el consumo local, contando

además con grandes reservas de gas.

Los crudos venezolanos dan una vasta serie de derivados: gasolina, naftas,

querosén, combustibles pesados (como por ejemplo FUEL OIL Nº 6), combustibles

diesel y gasóleos, lubricantes, turbo fuel, parafinas, gas de refinerías, coque, azufre y

ciertos metales, como el níquel y vanadio que se encuentran en los pesados y

extrapesados.

Venezuela desde 1951 es miembro activo del Consejo Mundial del Petróleo

(WPC: Word Petroleum Council), cuyo objetivo es estandarizar los conceptos

relacionados con este recurso, promoviendo la gerencia del petróleo en el mundo para

generar beneficios a la humanidad.

Generalmente, en el lenguaje petrolero corriente, los petróleos crudos se

clasifican como: livianos, medianos, pesados o extrapesados. Dicha clasificación esta

estrechamente vinculada a la gravedad específica o índice de grados API de cada

crudo.

La clasificación de los crudos por rango de gravedad API (ºAPI) utilizada en

la industria venezolana de los hidrocarburos, medidos a 15,6 º C (60ºF) es como se

muestra en la tabla 3.1:

32

Tipo de Crudo Densidad (Kg./l) Densidad API

Extrapesado > 1.0 < 16

Pesado 1.0 – 0.92 < 21.9

Mediano 0.92 – 0.87 22.0 – 29.9

Ligero 0.87 – 0.83 30 y mas

Tabla 3.1. Clasificación del petróleo venezolano de acuerdo a los grados API Fuente: Elaboración propia.

Venezuela cuenta con un variado grupo de hidrocarburos que dependen de la

zona de extracción. Estos van desde los más ligeros, como por ejemplo, el que se

extrae en el estado Anzoátegui y conocido como Santa Rosa, hasta los más pesados,

como el conocido Bitumen de procedencia; la faja del Orinoco, y utilizado para la

orimulsión.

3.2.5. Tipos de combustibles.

3.2.5.1. Combustibles líquidos derivados del petróleo.

Las normas 662 (Productos Derivados del Petróleo. Combustibles para

Motores Diesel) y 787 (Productos Derivados del Petróleo. Combustibles Residuales)

de COVENIN son de carácter obligatorio y establecen los requisitos mínimos que

deben cumplir los combustibles derivados del petróleo utilizados en motores de

combustión interna diesel, quemadores industriales, turbinas a gas, motores marinos y

calderas, así como también, establecen las pruebas que se le deben realizar a un

combustible antes de su recepción y los criterios de aceptación y rechazo.

Según la norma COVENIN 662, los combustibles utilizados para motores

diesel y gasóleo industrial se clasifican en:

• Combustible diesel mediano.

• Combustible diesel pesado.

• Gasóleo industrial.

Mientras que para la norma COVENIN 787, los combustibles residuales se

clasifican de acuerdo a su uso, considerando a estos como aceites residuales

33

mezclados con destilados y/o gasóleos de procesos de refinación para cumplir las

especificaciones requeridas, de la siguiente manera:

• Combustible Nº 6 650 cSt.

• Combustible Nº 6 424 cSt.

• Combustible residual pesado.

Combustible diesel mediano.

Es un combustible destilado que se utiliza en motores de combustión interna

tales como: diesel de alta velocidad, estacionario, automotriz, bombas, generadores

portátiles, y turbinas a gas. También se conoce con el nombre de combustible diesel

automotor. El Diesel Mediano presenta un bajo contenido de cenizas.

Satisface los requisitos de la norma venezolana COVENIN 662.

Combustible diesel pesado.

Es un combustible destilado líquido utilizado en quemadores industriales y

turbinas a gas para la producción de calor o energía. El diesel pesado, también

conocido como diesel marino, es un combustible producido mediante el proceso

moderno de hidroterminado. Tiene un alto poder calorífico, adecuada combustión y

baja formación de depósitos. Satisface los requerimientos de la norma venezolana

COVENIN 662.

Es recomendado como combustible para motores diesel marinos de mediana y

baja velocidad.

Gasóleo industrial.

Se destaca por su gran estabilidad química, alto valor calorífico y adecuada

combustión, proporcionando excelente rendimiento. Se recomienda como

combustible de calderas, quemadores industriales y turbinas a gas, por su baja

viscosidad, alto poder calorífico y bajo contenido de cenizas. Cumple con la norma

venezolana COVENIN 662.

34

Combustible Nº 6 424 cSt.

Se elabora a partir de los distintos residuales obtenidos en los procesos de

refinación, mezclados con fracciones provenientes de la destilación atmosférica,

destilación al vacío y componentes de craqueo catalítico. Se conoce en el mercado

marino con el nombre de BUNKER C. Cumple los requisitos de la norma venezolana

COVENIN 787, designado como combustible Nº 6 de 424 cSt Tipo B. Se utiliza

como combustible en motores de gran tamaño y baja velocidad, como los encontrados

en buques grandes y plantas eléctricas, en quemadores industriales y calderas.

Mezclado con Diesel Mediano se utiliza para preparar combustibles intermedios

(IFO'S), de gran aceptación en embarcaciones y barcos.

Combustible Nº 6 650 cSt.

Se obtiene de igual manera que el 424 cSt, cumple los requisitos de la norma

venezolana COVENIN 787, para el combustible residual Nº 6 de 650 cSt a 50°C. Es

un combustible de alta viscosidad y alto contenido de azufre que encuentra aplicación

en hornos industriales y en calderas diseñadas para quemar combustibles con alto

contenido metálico. También puede ser utilizado en quemadores industriales

equipados con precalentadores para reducir su viscosidad antes de ser quemado.

Combustible residual pesado.

Es usado generalmente en quemadores industriales.

Combustibles gaseosos.

Debido a que los quemadores actuales de las calderas de la planta Ampliación

Tacoa pueden trabajar bajo un sistema dual de combustibles, se hace necesario definir

los conceptos asociados al gas natural de acuerdo con la norma COVENIN 3568-1:

2000. Un sistema dual es aquel donde se aprovecha, mediante los quemadores, la

energía química de dos combustibles diferentes. Para el caso de las calderas de la

planta Ampliación Tacoa, estas utilizan como combustibles el fuel oil Nº 6

(combustible líquido) y el gas natural (combustible gaseoso).

35

Gas natural.

El gas natural es el combustible mas limpio, económico, y conveniente de usar

cuando se dispone de una fuente continua de suministro. Su principal uso es para la

generación de vapor en distintos sistemas. Según la norma COVENIN 3568- 1:2000

el gas natural o gas crudo, se define como un combustible gaseoso obtenido de

depósitos subterráneos, o por vaporización del gas natural licuado. Consiste en una

mezcla compleja de hidrocarburos primariamente metano, y generalmente incluye

etano, propano, e hidrocarburos mas pesados en cantidades mucho más pequeñas.

Usualmente también esta conformado por algunos gases inertes, tales como:

nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua y pequeñas cantidades de otros

constituyentes.

El gas natural licuado (GNL) consiste en condensar el gas natural mediante

proceso de enfriamiento, aproximadamente – 160 º C, con el propósito de obtener un

gas apropiado para su fácil transporte en camiones, embarcaciones y trenes así como

también para su almacenamiento; para luego ser vaporizado y reinyectado como gas a

través de tuberías de transporte y distribución.

3.2.5.3. Descripción del Fuel oil Nº 6.

El fuel oil Nº 6, conocido también como Bunker C, es una fracción del

petróleo que se obtiene como residuo luego de la destilación tope (topping). De aquí

se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible mas pesado de

los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por más de 20 átomos

de carbono, y su color es negro. El fuel oil se usa como combustible para plantas de

energía eléctrica, calderas y hornos. Por otra parte también es tratado con procesos a

menor presión para poder ser destilado y así obtener las fracciones mas pesadas del

petróleo como los aceites lubricantes y el asfalto entre otros, además de ser uno de los

combustibles fósiles mas económicos que existen en el mercado.

Son líquidos de una viscosidad muy alta y un olor característico que necesita

calentamiento para su almacenamiento y su combustión. Se utilizan en plantas

industriales de tamaño medio en adelante, aplicaciones marinas y centrales eléctricas,

36

en equipos de combustión tales como hornos, motores diesel y calderas. La tabla 3.2

muestra las características del fuel oil Nº 6 utilizado en Planta Ampliación Tacoa.

Valor Propiedades Promedio Mínimo Máximo Desv.

Estándar Azufre FRX, (%Peso) 2,652 2,520 2,810 0,104

Agua x Destilación (%Vol) 0,18 0,10 0,30 0,07

Agua/Sedimento (%Vol) 0 No aplica Viscosidad @ 122 ºF (cSt) 451 278 600 108

Viscosidad @ 122 ºF (SSF) 223,63 142,30 283,30 46,69

Gravedad API @ 60 ºF 11 10 12 1 Gravedad específica @

60ºF 1 No aplica Punto de inflamación ( ºF) 173 160 184 7

Tabla 3.2. Características del Fuel Oil N º 6 usado en Planta Ampliación Tacoa.

Fuente: Elaboración propia con datos suministrados por PDVSA.

El fuel residual es una mezcla compleja de compuestos que presentan un peso

molecular alto cuyo rango de temperaturas de ebullición se encuentra entre 350-

650ºC. Los componentes de la mezcla son principalmente hidrocarburos aromáticos

alifáticos y nafténicos, con un número de carbonos entre C20-C50, junto con

asfaltenos y cantidades más pequeñas de compuestos heterocíclicos que contienen

azufre, nitrógeno y oxígeno. Estas mezclas tienen características similares al asfalto y

por tanto, pueden considerarse como soluciones estabilizadas de asfaltenos en un

medio oleoso. Los asfaltenos son compuestos aromáticos de alta polaridad y de

elevado peso molecular (entre 2.000-5.000) y en el mezclado de este tipo de

combustible (fuel residual) es necesario asegurarse que estos compuestos permanecen

en suspensión bajo un rango normal de temperatura.

3.2.6. Características físico – químicas de los combustibles.

Es importante conocer algunas definiciones importantes para la identificación

de los distintos combustibles líquidos derivados del petróleo las cuales se describen a

continuación.

37

3.2.6.1. Punto de inflamación (flash point).

Es la temperatura donde el combustible comienza a desprender vapores, que

combinados con el aire, producen una mezcla capaz de generar el encendido del

producto, cerca de una fuente de calor. Es fijada como un parámetro de seguridad.

Tiene especial importancia en el manejo y almacenamiento del producto.

Para la norma COVENIN 1534-96, el punto de inflamación es la temperatura

mas baja de una muestra, corregida a la presión barométrica de 101,3 kPa (760

mmHg) a la cual se produce la inflamación de los vapores emanados de un producto,

cuando se aplica sobre éstos una llama bajo condiciones de ensayo previamente

establecidas.

3.2.6.2. Viscosidad.

Se define como la resistencia de una sustancia a fluir, o como la fuerza por

unidad de área requerida para mantener el fluido a una velocidad constante en un

espacio considerado. La viscosidad se obtiene por varios métodos y se designa con

diferentes valores de medición. Es importante destacar el efecto que tiene la

temperatura sobre los combustibles, temperaturas moderadamente altas, generan

bajas viscosidades en algunos combustibles, mientras que las temperaturas bajas

generan aumento en la viscosidad, que pueden llegar hasta la estratificación del

combustible. El Fuel Oil Nº 6, posee una alta viscosidad, esta debe disminuirse

calentándolo a cierta temperatura, para así lograr los niveles adecuados y el buen

funcionamiento del quemador. La norma COVENIN en su método de ensayo

COVENIN 424, establece como unidad de trabajo el Centistoke (1 cSt = 1 mm2/s) y

una temperatura para su medición de 40 ºC para combustibles diesel y gasóleos

industriales (productos blancos) y 50 ºC para combustibles residuales (productos

negros).

38

3.2.6.3. Densidad

Se define como la masa por unidad de volumen de un fluido o razón

masa/volumen. Su unidad es variada y la mayoría de las veces se expresa en

kilogramos por litros (Kg. /l).

Densidad relativa

Se define como la relación de la masa de un volumen dado de un líquido a

15,6 ºC (60 ºF) con la masa de un volumen igual de agua pura a la misma

temperatura.

3.2.6.4. Gravedad API

Es una escala numérica expresada en grados que se utiliza para caracterizar la

densidad relativa (gravedad específica) del petróleo y sus derivados. Su relación con

la densidad relativa es la siguiente:

5,131º6,15/6,15)(

5,141º −=Capecificagravedadeslativadensidadre

API

No se requiere especificar la temperatura de referencia, ya que la prueba se

realiza a 15,6 ºC (60 ºF).

3.2.6.5. Punto de fluidez.

Es la temperatura mínima donde un derivado del petróleo puede fluir, cuando

es enfriado bajo condiciones normalizadas.

3.2.6.6. Agua y sedimentos

Es el conjunto de la fase acuosa y de materias sólidas en suspensión presente

en un producto derivado del petróleo, que se separan por decantación o más

39

rápidamente por centrifugación bajo condiciones normales. Disminuye el poder

calórico del combustible y la temperatura, favoreciendo el punto de rocío y la

corrosión. Si presenta valores altos propicia la obstrucción de filtros y boquillas en

los quemadores.

3.2.6.7. Vanadio

Esta presente en todo petróleo crudo y en los combustibles residuales por

destilación. Su eliminación en refinería no es práctica. Tiene la propiedad de formar

depósitos que corroen fácilmente los componentes metálicos de la caldera cuando la

temperatura de los gases de escape es elevada.

3.2.6.8. Azufre

Al igual que el vanadio esta presente en todo petróleo crudo y en combustibles

tanto líquidos como gaseosos. El contenido de azufre en los combustibles gaseosos es

casi despreciable con relación a los combustibles líquidos. El porcentaje de azufre en

un combustible líquido dependerá exclusivamente del destilado. La relevancia de este

compuesto en los métodos de ensayo, se debe a los óxidos que se forman después de

la combustión (SO2 y SO3) cuando reaccionan con el comburente (aire), que pueden

provocar la formación de H2SO4 bajos ciertas condiciones.

3.2.6.9. Aditivos

Es un producto químico que se añade en pequeñas proporciones a un producto

derivado del petróleo, con la finalidad de conferirle propiedades especiales o para

reforzarle sus propiedades naturales.

40

3.2.7. La combustión, los derivados del petróleo y su impacto ambiental.

La refinación del petróleo tiene como finalidad aprovechar los diferentes

hidrocarburos que contiene para obtener un vasto grupo de combustibles y derivados

que sirven de materia prima para muchos procesos, como por ejemplo el asfalto.

Los combustibles destilados del petróleo se utilizan de diversas formas. En

cualquiera de estas que se utilice o sea destinado tienen que existir tres elementos

principales para el aprovechamiento de su energía química: oxígeno, combustible y

calor. La cantidad de oxigeno, para asegurar una buena combustión, dependerá

exclusivamente del combustible y del proceso al que esté sujeto.

3.2.7.1. Combustión

La combustión se puede definir como una reacción química que genera calor

(exotérmica) y luz, siendo el oxigeno (comburente) contenido en el aire atmosférico,

el responsable directo de esta reacción cuando se combina con un combustible sólido

o liquido a una temperatura superior a la denominada de ignición o de inflamación.

En este sentido la combustión dependerá del combustible, del punto de inflamación

del mismo y de la cantidad de oxígeno presente.

Por otro lado el comburente aire seco, contiene en una base molar o de

volumen, nitrógeno en un 78,1 %, 20,9 % de oxígeno, 0,9 % de argón y pequeñas

cantidades de dióxido de carbono, helio, neón e hidrógeno. En los análisis de los

procesos de combustión el argón en el aire se considera como nitrógeno, mientras que

los gases que existen en cantidades muy pequeñas pueden descartarse. De modo que

el aire seco puede considerarse aproximadamente como 21 % de oxigeno y 79 % de

nitrógeno, el cual no reacciona por ser un gas inerte saliendo junto con los gases de la

combustión en forma de humo.

3.2.7.2. Combustión originada con combustibles líquidos derivados del

petróleo.

La combinación exotérmica del aire con un combustible da lugar a varias

reacciones dependiendo de la cantidad de carbono, hidrógeno y azufre, en %Peso, que

41

contenga el carburante. A continuación se muestran las reacciones básicas que

ocurren durante la combustión:

22

222

22

22SOOS

OHOHCOOC

→+→+

→+

Tomando en cuenta lo anterior, la combustión perfecta de un

hidrocarburo con el aire, queda expresada de la siguiente manera:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )222222 76,3)76,3( NASODOHCCOBNOASHC CALORyx +++⎯⎯ →⎯+++

Nótese de la expresión que por cada mol de aire existen estequiométricamente

hablando: 1 mol de oxígeno y 3,76 moles de nitrógeno. Los coeficientes A, B, C y D

del comburente y de los productos, representan la cantidad de aire requerido, la

cantidad de dióxido de carbono producido, agua y dióxido de azufre respectivamente

en la reacción de combustión y dependerán estrictamente del tipo de hidrocarburo a

utilizar. Seria interesante poder determinar la cantidad de productos que resultan de la

combustión de los distintos componentes de un hidrocarburo destinado como

combustible, ya que dichas sustancias son las que formarán los humos eliminados en

la combustión.

También es importante destacar en este punto, a pesar de que el nitrógeno no

reacciona con los elementos químicos dispuestos en el combustible, que después de la

combustión dicho compuesto reacciona en una pequeña parte con el oxigeno

formando gases peligrosos como el conocido óxido nítrico, cuya emisión esta

regulada por la ley penal del ambiente.

3.2.7.3. Agentes contaminantes asociados a la combustión.

En la combustión de los hidrocarburos, tanto gaseosos como líquidos, en

calderas de uso industrial, se generan las siguientes emisiones: dióxido de carbono,

nitrógeno, oxígeno, agua, monóxido de carbono, óxidos de azufre, óxido de

nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles y partículas en polvo. Los últimos cinco

42

compuestos, producto de la combustión, son considerados contaminantes y son los

responsables directos o indirectos de los daños producidos a la salud humana y al

ambiente.

En este sentido, los componentes más contaminantes contenidos en los gases

de escape de calderas industriales son:

• Óxidos de nitrógeno.

• Óxidos de azufre.

• Compuestos orgánicos volátiles.

• Partículas en polvo.

• Monóxido de carbono.

Es importante destacar que la contaminación atmosférica no solo se atribuye a

las industrias donde se quema un tipo de combustible en específico, sino también a

diferentes fuentes tanto fijas como móviles, como es el caso de los gases de escape

producidos por los vehículos tanto domésticos como de uso industrial.

Óxidos de azufre: Su presencia se debe a los contenidos de azufre en los

combustibles. El azufre se oxida a dióxidos y trióxidos de azufre, aproximadamente

el 95% del azufre se convierte en dióxidos, el 5% restante se convierte en trióxidos.

La ecuación asociada a la formación de estos óxidos es:

322

22

21 SOOSO

SOOS calor

⎯→⎯+

⎯⎯→⎯+

Estos óxidos de azufre en presencia de humedad, forman la llamada lluvia

ácida. Reacciones que originan la lluvia ácida a partir de óxido de azufre:

4223

3222

SOHOHSO

SOHOHSO

⎯→⎯+

⎯→⎯+

43

Durante su proceso de oxidación en la atmósfera, este gas forma sulfatos, es

decir, sales que pueden ser transportadas en el material particulado respirable (PM10)

y que en presencia de humedad forman ácidos. Luego, estos ácidos son una parte

importante del material particulado secundario o fino (PM2.5). Tanto la exposición a

sulfatos como a los ácidos derivados del SO2, es de extremo riesgo para la salud

debido a que éstos ingresan directamente al sistema circulatorio humano a través de

las vías respiratorias.

Óxidos de Nitrógeno: Se producen por la oxidación del nitrógeno en el aire y

de los componentes nitrogenados de los combustibles, a altas temperaturas. En

general se forma monóxido de nitrógeno (NO), formándose posteriormente dióxido

de nitrógeno (NO2) por oxidación de NO. Ocurriendo la siguiente reacción:

22

22

21 NOONO

NOON aturaAltatemper

⎯→⎯+

⎯⎯⎯⎯ →⎯+

Luego estos óxidos contribuyen a la formación de ozono a nivel de la

superficie terrestre, siendo este compuesto altamente tóxico para los seres vivos. Los

óxidos de nitrógeno son también precursores de lluvia ácida, al estar expuestos a

humedad:

23222 NOHNOOHNO +⎯→⎯+

Monóxido de Carbono: Es generado debido a la oxidación incompleta de

combustibles.

El monóxido de carbono es altamente tóxico para los seres vivos, dado que

compite con el oxígeno durante la respiración. Siendo transportado por la

hemoglobina a través de la sangre, interfiriendo con el transporte de oxígeno al

corazón y otros órganos vitales.

Material Particulado (PM): Está compuesto de partículas sólidas y líquidas de

diversos tamaños, presentes en el aire. Estas provienen de diversas fuentes por lo que

44

sus características físicas y químicas son muy diversas. Las partículas pueden ser

emitidas directamente o formarse en la atmósfera por reacción de otros contaminantes

como SOx y NOx o nitratos de amonio. A este último tipo de material particulado se

le designa como secundario para diferenciarlo del emitido primariamente. Las

emisiones de material particulado relativas a la combustión en fuentes fijas (calderas

y hornos) dependen fundamentalmente del tipo de combustible y, en menor medida,

del proceso mismo de combustión. Energéticos con alto contenido de cenizas (carbón,

leña) producen altas emisiones de material particulado sólido. En cambio

combustibles limpios como el gas natural y el gas licuado prácticamente no emiten

material particulado. Las emisiones de material particulado (PM) al quemar petróleo

diesel en hornos y calderas también son pequeñas, aumentando en el caso de los

petróleos combustibles en función del porcentaje de cenizas, azufre y viscosidad del

combustible. Si bien el material particulado lo conforman partículas en suspensión

(PTS o Partículas Totales en Suspensión) normalmente se mide el PM10, constituido

por partículas de diámetro aerodinámico menor o igual a 10 μm. Asimismo, el PM10

se puede clasificar a su vez en una fracción gruesa con diámetros de 2,5 a 10 μm y

una fracción fina que tiene un diámetro menor a 2,5 μm, denominada PM2,5.

Los efectos en la salud humana dependen del tamaño de las partículas. Las

partículas más pequeñas (PM2,5), son más dañinas ya que penetran más

profundamente en el aparato respiratorio, afectando los alvéolos, donde se realiza la

función de intercambio gaseoso, alterando los mecanismos defensivos del organismo,

facilitando el ingreso de bacterias o virus que causan infecciones respiratorias agudas.

El PM puede transportar metales pesados u otros elementos nocivos que, en el largo

plazo, pueden producir cáncer al pulmón. Los principales efectos en la salud por la

exposición prolongada a altos niveles de PM son: muertes prematuras, agravamiento

de enfermedades cardiológicas y respiratorias, cambios en las funciones del pulmón e

incremento de síntomas respiratorios.

45

3.3. Quemadores. El propósito principal de un quemador, es dirigir el flujo de un combustible a

través de un conducto, de tal manera que se asegure el encendido rápido y la

combustión con el aire. El carburante a utilizar puede ser sólido (pulverizado) o

líquido. Frecuentemente las calderas se diseñan para manejar más de un combustible,

como es el caso de los quemadores duales que tienen la capacidad de manejar uno

líquido y uno gaseoso sin la necesidad de emplear ningún elemento.

Cuando se utilizan combustibles líquidos, se debe disponer de un medio para

el transporte del combustible a través del quemador, con la finalidad de asegurar una

buena mezcla con el aire. Esto se conoce como atomización. La atomización del

combustible a través del quemador se puede inducir mecánicamente, con aire y con

vapor y depende exclusivamente del combustible a utilizar.

Por lo general para combustibles livianos, como es el caso del gasoil, se

recomienda atomización turbulenta con el aire destinado para la combustión, mientras

que para los combustibles pesados, los que requieren de precalentamiento, como es el

caso del fuel oil Nº 6, se recomienda utilizar la atomización con vapor.

Este último mecanismo es el más utilizado en la industria debido a su

simplicidad en diseño y a su fácil y confiable operación. En un quemador de este tipo,

el flujo de vapor que se encuentra a una presión dada, es dirigido a una corriente de

un combustible. Estas corrientes se encuentran dispuestas en el quemador, dentro de

dos tubos concéntricos con área transversal constante o en tubos separados. En los

quemadores de tubos concéntricos por la parte interior de uno de los tubos se hace

pasar el combustible y por la parte exterior el vapor y viceversa, mientras que en los

de tubo separados las corrientes de vapor combustible circulan en tubos distintos. En

el extremo horizontal, tanto para los quemadores de tubo concéntrico como para los

de tubos separados, se genera la mezcla entre vapor saturado de baja humedad y el

combustible. La alta energía cinética del vapor, pulveriza el combustible en pequeñas

esferas o gotas de diámetro 0 01 mm. Por diferencia de densidad el agua contenida en

el vapor saturado arropa las gotas de combustibles. El agua que contiene la esfera o

gota, agua combustible se evapora rápidamente y por aumento de la temperatura, la

46

gota de combustible, ya sola se consume generándose la combustión en presencia del

aire.

La adición de un buen vapor en el quemador será la clave del éxito para que el

método funcione correctamente. El vapor sobrecalentado y con exceso de humedad,

no es deseable para este mecanismo así como tampoco el exceso de humedad en el

combustible, ya que generan problemas en la mezcla (aceite combustible-vapor) y en

la llama por goteo de carburante.

3.3.1. Quemadores en Planta Ampliación Tacoa.

Las calderas de la planta ampliación Tacoa se encuentran diseñadas para

utilizar combustibles líquidos residuales y gaseosos. Dentro de los combustibles

líquidos, se encuentran el fuel oil Nº 6 (Bunker C) y el residual craqueado (cracked

residual oil), mientras que dentro de los combustibles gaseosos se encuentran el gas

natural (GNC) y el gas propano (GLP). Los dos primeros son considerados, según el

fabricante, como aceites combustibles o petróleo y los dos últimos como gases

combustibles.

En la actualidad se utilizan el fuel oil Nº 6 y el gas natural. Estos

combustibles, destinados como recurso energético en la generación de vapor,

atienden las necesidades para la correcta operación de la caldera. Para ello se cuenta

con 32 quemadores, 16 para el fuel oil Nº 6 y 16 para el gas natural; ubicados en las

cuatro esquinas de los pisos 1 y 2 de la caldera. Cada quemador consta de dos

boquillas, una para la quema de fuel oil y otra para la quema de gas natural. Los

aceites y gases combustibles no pueden ser quemados de manera simultánea en este

tipo de sistema, es decir, cuando se está quemando gas, el quemador de petróleo debe

estar fuera de servicio. Igual ocurre con el quemador de gas cuando se está quemando

fuel oil Nº 6. En la figura se muestran un conjunto de quemadores ubicados e

instalados en una de las esquinas de la caldera, específicamente la de la unidad 8 de la

planta ampliación Tacoa.

47

Figura. 3.2. Quemadores de Ampliación Tacoa.

Fuente: Elaboración propia.

Estas calderas son bastante flexibles ya que permiten la quema de dos

combustibles a la vez, por ejemplo, se puede quemar en 10 quemadores de la caldera

y el resto con fuel oil Nº 6 o viceversa. La selección del combustible y la distribución

de éstos en los quemadores, dependerá de la cantidad de gas y fuel oil Nº 6 disponible

en la planta.

Para su encendido se adopta el encendido de ángulo tangencial. Los

quemadores se encuentran colocados estratégicamente en las esquinas de la caldera.

El aire, necesario para la combustión, es ajustado por una compuerta de control de

flujo. Bajo esta configuración las llamas giran en movimiento circular en la parte

central de cada piso del horno por acción mutua de cada quemador, tomando la forma

de una bola de fuego. De ésta manera se garantiza una eficiente y uniforme

transferencia de calor al conjunto de tubos contenidos en el hogar de la caldera.

48

3.3.1.2. Tipos de quemadores en planta y su funcionamiento.

Como se menciono anteriormente se utilizan dos tipos de combustibles por

quemador, el fuel oil Nº 6 y el gas natural. Para el caso fuel oil, como combustible

líquido, se utilizan los quemadores del tipo M-jet removibles de bajo consumo de

vapor mientras que para gas se utilizan los del tipo chorro.

Los quemadores M-jet inyectan el combustible al horno al horno de la caldera

utilizando atomización con vapor. Aquí, el vapor y el combustible son transportados

en tuberías dispuestos en forma paralela. El fuel oil Nº 6 debe ser calentado antes de

entrar al quemador para disminuir su viscosidad y facilitar el flujo a través del mismo.

Para ello se utilizan dos intercambiadores de calor de coraza y tubos los cuales

aumentan la temperatura del combustible de 50 ºC a 120 ºC aproximadamente. La

viscosidad del aceite para la correcta operación del quemador se encuentra entre los

18 cSt y los 24 cSt. con una presión mínima de 6 2cmkg en la entrada del quemador,

la que es considerada de acuerdo al fabricante, como “punto de disparo del

quemador” y una máxima para una carga nominal de 21 2cmkg en tanto que para el

vapor de atomización se requieren 10 2cmkg . Es importante destacar que esta presión

de vapor debe mantenerse constante para una adecuada atomización. Una vez que el

vapor y el combustible se encuentran en la parte final del quemador se origina la

mezcla vapor-combustible por efecto de las pastillas rociadoras entrando al hogar, en

forma de pequeñas gotas (combustible atomizado) y generándose la combustión de

estas. En la figura 3.3 (quemadores) se muestra el kit de pastillas rociadoras ya usadas

y desgastadas así como su ensamble en el quemador.

49

Figura 3.3: Quemadores. Pastillas rociadoras

Fuente: Elaboración propia

50

CAPITULO IV

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO Y

FORMAS DE RECOLECCIÓN

4.1. El Humo.

Los humos son suspensiones de sólidos y/o líquidos en los gases de

combustión o en el aire. Para referirse a ellos se emplea la palabra “gases”. Entre

ellos hay que distinguir:

4.1.1. Humo blanco:

Se debe a una insuficiente temperatura del horno. Así algunos hidrocarburos

se volatilizan y llegan a la chimenea en forma de este compuesto químico.

4.1.2. Humo negro:

Las combustiones incorrectas, ya sean de sólidos o de líquidos, conducen a

parciales pirólisis y a la formación de coque. El problema de la formación del humo

radica en la mala, o inexistente combustión de los compuestos orgánicos.

4.2. Material particulado.

El material particulado atmosférico, atmospheric particulate matter (PM), se

define como un conjunto de partículas sólidas y/o líquidas (a excepción del agua

pura) presentes en suspensión en la atmósfera. El material particulado atmosférico

consiste en una mezcla compleja de compuestos de naturaleza orgánica e inorgánica

con diferentes distribuciones granulométricas y composición química, ambas

condicionadas por la composición de los gases que las rodean. Los niveles de

material particulado atmosférico se suelen expresar en forma de concentración de

masa o número de partículas por unidad de volumen de aire (μg/m3 ó ng/cm3).

El tamaño del PM varía generalmente desde varios nm (10-6mm) hasta

decenas de micras ( mμ ), una micra equivale a una milésima de mm. Por tanto,

51

engloban tanto las partículas en suspensión como las partículas sedimentables

(diámetro > 20 μm), caracterizadas por un corto tiempo de residencia en la atmósfera

(varias horas). En función del tamaño de grano, el PM se clasifica en partículas

gruesas y partículas finas. Las partículas gruesas son aquellas que poseen un tamaño

superior a 1 μm y suelen ser partículas primarias procedentes de la destrucción

mecánica, disgregación y/o abrasión, o por evaporación y condensación de partículas

preexistentes. El tamaño grueso no permite alcanzar grandes tiempos de residencia en

la atmósfera (desde minutos hasta varios días) y pueden recorrer hasta varias decenas

de kilómetros e incluso miles de kilómetros. Las partículas finas se caracterizan por

un tamaño de grano inferior a 1 μm, generalmente derivadas de precursores gaseosos

(partículas secundarias). En comparación con las partículas gruesas, los tiempos de

residencia y las distancias de transporte son mayores.

En la figura 4.1 se muestra la microfotografía de una partícula típica emitida

en la combustión de fuel oil pesado, la cual posee un diámetro de 10 mμ .

Fig. 4.1. Microfotografía SEM de partículas (cenósferas) emitidas en combustión de fuel-oil pesado, con distinto grado de oxidación.

Fuente: Universidad Mayor de San Marcos. Perú. En línea.

52

Basándose en la distribución granulométrica, y teniendo en cuenta las

limitaciones de las técnicas de medida y muestreo y criterios de impacto la salud se

definen una serie de parámetros granulométricos de amplia utilización como son PST

(partículas totales en suspensión), PM10 y PM2,5 (partículas de diámetro aerodinámico

inferior a 10 y 2,5 μm, respectivamente).

4.2.1. Métodos para la captación de partículas.

Consisten en la separación de los contaminantes de la corriente gaseosa que

los arrastra, pudiéndose realizar por medio de diferentes mecanismos, según se trate

de contaminantes gaseosos o sólidos (partículas). Para estos últimos el proceso es de

tipo físico, sin que ello, en la mayoría de los casos, signifique una variación en la

naturaleza química del contaminante.

Clasificar los equipos de captación de partículas no es tarea sencilla, ya que

muchos de estos aparatos utilizan más de un mecanismo de separación a la vez. No

obstante, una clasificación posible es la siguiente:

• Separación por gravedad.

• Separación por inercia o mecánicos.

• Separación por fuerza centrífuga.

• Separación por lavado.

• Separación por filtrado.

• Separación electrostática.

En general, los equipos de mayor uso industrial corresponden a ciclones,

lavadores de gases, filtros de manga y precipitadores electrostáticos. . Las variables

que generalmente se toman en cuenta al momento de decidir el dispositivo adecuado

son la temperatura y caudal de gases de emisión, tamaño de partículas emitidas y tipo

de combustible utilizado por la fuente emisora.

Al momento de escoger el dispositivo adecuado para la depuración de gases

en cuanto a la captación de partículas se refiere hay que mencionar como factor

crítico el tamaño de dicha partícula, ya que de esta variable depende en mucho la

53

eficiencia de cada uno de los dispositivos. La figura 4.1 muestra de acuerdo al tamaño

de partícula el dispositivo mas adecuado a escoger:

Fig. 4. 2. Tamaño de partícula vs. Dispositivo de captación Fuente: Universidad Mayor de San Marcos. Perú. En línea.

La toxicidad del material particulado depende por lo general más del tamaño

de la partícula que de la naturaleza intrínseca del contaminante presente, de ahí la

necesidad de recurrir a los sistemas de depuración. Por esto en muchas legislaciones

hacen distinción entre el material particulado mayor o menor de 10 mμ .

Aunque se denominen polvos “inertes” esto no deja de ser un eufemismo, ya

que no hay ninguna clase que no provoque alguna respuesta celular en el pulmón

cuando se inhala en cantidad suficiente. Por esta razón la mayoría de las legislaciones

fijan un tope de 10 mg/m3 de polvo total. A continuación se describen brevemente las

distintas formas de recolección de partículas.

54

4.2.1.1. Procesos gravitacionales.

Como su nombre lo indica son procesos que emplean el efecto de la fuerza

gravitatoria para precipitar partículas sólidas suspendidas en una fase gaseosa.

4.2.1.2. Precipitación por expansión.

Este proceso genera la precipitación de partículas sólidas debido a la

exposición de estas en grandes áreas dimensionales, teniendo como factor importante

el tiempo de residencia y peso de la partícula.

Ductos.

Son conductos de gran capacidad cerrados herméticamente, que sirven para la

circulación de los humos provenientes de diversos circuitos y que sirven también para

la precipitación de los polvos por tiempo de residencia.

Cámaras.

Son compartimientos de forma de un paralelepípedo, se emplean para enfriar,

acondicionar y precipitar por tiempo de residencia los humos producidos.

4.2.1.3. Precipitación por centrifugación.

Son operaciones que usan la fuerza centrifuga para precipitar material

particulado suspendido en gases.

Ciclones.

El mecanismo de los ciclones se basa en el principio de someter a las

partículas que se desean separar de la corriente gaseosa una fuerza centrifuga,

mediante dispositivos con partes fijas (deflectores, orientación a la entrada, etc.). De

este modo, las partículas golpean sobre la pared del ciclón y con el rozamiento

pierden velocidad y se separan de la corriente, recogiéndose por la parte inferior.

55

La eficiencia promedio de este dispositivo es aproximadamente 65 % cuando

trata partículas de 40 micrones en tamaño.

La figura 4.3 muestra el principio de funcionamiento. La entrada es tangencial

a la voluta. Las partículas van rozando la pared y se frenan. De este modo caen al

fondo. La corriente, ahora exenta de del material particulado, asciende por la parte

central.

Fig. 4.3. Ciclón

Fuente: Universidad Mayor de San Marcos. Perú. En línea.

Al aumentar la velocidad del gas (con ello también se aumenta la pérdida de

carga), el diámetro de la partícula y la densidad, aumenta el rendimiento de

separación. Las velocidades de gas oscilan de 6 a 20 m/s, siendo 17 m/s un valor muy

normal.

56

Multiciclones.

El multiciclon se suministra en agrupaciones de ciclones de 60 a 90 cm. de

diámetro, conteniendo cada uno un regulador de tiro a la entrada para compensar las

variaciones de flujo circulante de gas. En el multiciclon se transmite a los gases un

movimiento en espiral por medio de aletas anulares.

4.2.1.4. Filtración.

Uno de los métodos mas antiguos, económicos y eficientes para la separación

sólido-gas es por filtración, que puede ser definida como la separación de partículas

de un fluido mediante el paso del mismo a través de un lecho permeable que las

retiene.

Filtros de mangas.

El filtro de mangas o colector de bolsas en un armazón cerrado que contiene

bolsas de tela que cuelgan verticalmente dentro de la unidad.

En el proceso intervienen, con mayor o menor intensidad, las siguientes

etapas:

• Impacto, o sea choque directo de las partículas contra las fibras del

filtrante.

• Difusión, debida al movimiento browniano, las partículas tropiezan,

rebotan y se desvían hasta que se acercan a las paredes de los poros y

son retenidas.

• Fuerzas electrostáticas que aparecen entre las partículas y las fibras.

• Tamizado mas o menos directo. Puesto que la porosidad de la fibra

(textil) es menor que el tamaño de las partículas.

El rendimiento de un filtro de mangas no depende de la concentración de

partículas, por tanto es un sistema que se puede usar para pequeñas o grandes

concentraciones de material particulado. Además el rendimiento se mantiene pese a

grandes variaciones de caudal. Su eficacia suele ser superior al 99%. La velocidad de

paso del gas es muy reducida.

57

Hoy en día existe una gran variedad de clases de telas. Las hay que soportan

perfectamente hasta 300 ºC.

La figura 4.4 muestra el sistema clásico de un filtro de mangas, mientras que

el esquema derecho simboliza la retención de las partículas en la tela y, el izquierdo,

la fase de limpieza o expulsión.

Fig. 4.4. Filtros de mangas

Fuente: Universidad Mayor de San Marcos. Perú. En línea

4.2.1.5. Precipitación Hidrometalúrgica.

Son aquellos procesos que usan el agua como fuente de humectación de

partículas sólidas suspendidas, facilitando su precipitación por aglomeración e

incremento del peso de las mismas.

Scrubbers.

Son colectores que usan agua para saturar las partículas y así poder separarlas.

Hoy en día se usan dos tipos de colectores húmedos, los depuradores de gases

58

(scrubbers), que saturan las partículas llevándolas a un estanque decantador, y

precipitadores hidroeléctricos que saturan partículas cargadas y pasan a la solución

entre placas de metal con cargas opuestas. Los colectores húmedos son relativamente

ineficientes y crean lodo o fango, un problema de contaminación secundaria que

también debe considerarse.

4.2.1.6. Precipitadores electrostáticos

Los precipitadores electrostáticos son equipos capaces de depurar emisiones

que contienen en su seno partículas sólidas y/o líquidas.

El gas circula a baja velocidad en un recinto que ioniza las moléculas y estas

actúan sobre el material particulado debido a la diferencia de potencial de 40 a 120 kv

en corriente continua (el consumo eléctrico es elevado). A intervalos regulares un

mecanismo de limpieza hace caer el polvo al fondo de la tolva. Los materiales de

muy alta o baja resistividad no pueden ser separados.

Fig. 4. 5. Principio de funcionamiento del precipitador electrostático

Fuente: Universidad Mayor de San Marcos. Perú. En línea

59

Son útiles cuando el volumen de gas a tratar es muy elevado y el contaminante

de tamaño pequeño. Además puede funcionar a alta temperatura y presión. La

eficacia suele ser superior al 98%.

La figura 4.5 muestra el principio de funcionamiento seguido dentro del

precipitador electrostático.

En concordancia con las tecnologías descritas anteriormente se puede concluir

que los precipitadores electrostáticos constituyen la opción más adecuada para el

manejo de emisiones que contienen material particulado cuyos diámetros son

menores o iguales a 10 μm, tamaño común de las partículas emitidas en la

combustión de fuel oil Nº 6, razón por la cual es muy usado en centrales

termoeléctricas que usan este combustible y carbón.

4.3. Metales importantes obtenidos a través del material particulado

recolectado

4.3.1. El vanadio.

Es un elemento metálico blanco plateado de número atómico 23. El vanadio

es uno de los elementos de transición del sistema periódico. El nombre proviene de la

diosa de la belleza, Vanadis, en alusión a la gran variedad de colores de sus

combinaciones (en disolución acuosa).

• V5+

: incoloro.

• V4+

: azul.

• V3+

: verde.

• V2+

: violeta claro.

El vanadio es soluble en ácido sulfúrico y ácido nítrico e insoluble en ácido

clorhídrico, hidróxido de sodio y alcohol diluidos .Forma varios óxidos ácidos, siendo

los más importantes el trióxido (V2O3) verde oscuro, y el pentóxido (V2O5)

anaranjado.

La producción comercial a partir de cenizas de carbón y petróleo es una

importante fuente del elemento, sobre todo en los petróleos de México y Venezuela.

60

Además, el vanadio es un veneno de los catalizadores en el proceso de craqueo del

petróleo, razón por la cual es imprescindible su extracción. Los mayores productores

de vanadio son Estados Unidos, Rusia y la República de Suráfrica.

Debido a su dureza y gran resistencia a la tracción, el metal se utiliza en

muchas aleaciones, como el ferrovanadio, el níquel-vanadio y el cromo-vanadio. Los

aceros de cromo-vanadio se utilizan para fabricar muelles y en mecanismos de

transmisión y otras piezas de los motores. Las aleaciones de titanio-vanadio se usan

para vainas de proyectiles, bastidores de motores a reacción y componentes de

reactores nucleares. Como catalizador, el vanadio ha sustituido en gran medida al

platino en la fabricación de ácido sulfúrico y se utiliza a menudo como revelador

fotográfico, como agente reductor y como agente desecante en varias pinturas.

4.3.2. El níquel.

El níquel es uno de los elementos de transición del sistema periódico y su

número atómico es 28, perteneciente al grupo VIII de la tabla periódica.

El níquel es un metal duro, maleable y dúctil, que puede presentar un intenso

brillo. Aparece bajo cinco formas isotópicas diferentes y otros seis radioactivos. El

níquel metálico no es muy activo químicamente. Es soluble en ácido nítrico diluido, y

se convierte en pasivo (no reactivo) en ácido nítrico concentrado.

Químicamente tiene valencia +2 y +3, es atacado por los ácidos diluidos y

reacciona con numerosos no metales para formar compuestos binarios, muchos de los

cuales tienen color verde.

El níquel se emplea como protector y como revestimiento ornamental de los

metales; en especial de los que son susceptibles de corrosión como el hierro y el

acero. Se utiliza como catalizador en un gran número de procesos. Se usa

principalmente en aleaciones, y aporta dureza y resistencia a la corrosión en el acero.

El acero de níquel, que contiene entre un 2% y un 4% de níquel, se utiliza en piezas

de automóviles, como ejes, cigüeñales, engranajes, llaves y varillas, en repuestos de

maquinaria y en placas para blindajes. Algunas de las más importantes aleaciones de

níquel son la plata alemana, el invar, el monel, el nicromo y el permalloy. Las

61

monedas de níquel en uso son una aleación de 25% de níquel y 75% de cobre. El

níquel es también un componente clave de las baterías de níquel-cadmio.

4.3.3. Método para separar vanadio y níquel del material particulado.

En las plantas termoeléctricas se genera una gran cantidad de cenizas volantes,

las cuales son eliminadas como desecho. Recientemente desde el punto de vista

ambiental y de la conservación de los recursos, el uso de estas cenizas se ha hecho

atractivo. Uno de sus más prometedores usos es la recuperación de metales de valor.

Las cenizas volantes provenientes de la combustión de fuel oil contienen metales

como vanadio y níquel, junto con el hierro y aluminio, entre otros.

La presencia de alto contenido de metales en las muestras de cenizas y su

posible recuperación resulta interesante para Venezuela, que ha sido un productor

importante de petróleo desde hace varias décadas, con un contenido de vanadio en el

rango de 100 a 1200 ppm.

El fuel oil (Bunker C o aceite combustible Nº 6) contiene de 18 a 500 ppm de

vanadio y níquel en moléculas orgánicas complejas, principalmente porfirinas, que no

se pueden refinar económicamente, para eliminarlas. También puede contener sales,

arena, herrumbre y polvo, que le dan al combustible un contenido típico de cenizas de

0,01 a 0,5% en peso.

Las cenizas volantes (fly ash), son difíciles de manejar y transportar debido a

su pequeño tamaño de partícula, a su baja densidad, y a la posibilidad de que pueda

producirse una combustión espontánea. En Venezuela estas cenizas volantes son

consideradas desecho peligroso (Gaceta, 1998) debido a su potencial de lixiviación y

precolación y existen normas reguladoras de la calidad del aire y control de la

contaminación atmosférica que impidan el escape de las cenizas a la atmósfera

(Gaceta, 1995).

Algunos metales pesados, tales como V y Ni, tienen una gran importancia en

el campo de la manufactura de aceros aleados, catalizadores, tintes y colorantes,

medicina y en la química analítica. La recuperación de V y Ni a partir de las cenizas

provenientes de la combustión del fuel oil brindaría utilidad a un desecho industrial

62

con posible rentabilidad, y disminuiría la posibilidad de contaminación que podría

originar su acumulación.

En este caso un proceso de separación de los metales vanadio y níquel

presentes en el material particulado bastante eficiente es el realizado mediante

lixiviación ácida.

El proceso de lixiviación consiste en extraer un compuesto metálico soluble

de un concentrado disolviéndolo en un solvente; luego la lixiviación ácida no es mas

que la disolución de dicho compuesto metálico en una medio ácido.

Fig. 4. 6. Efecto del tiempo de agitación sobre la lixiviación del vanadio como función del grado de concentración del acido clorhídrico

Fuente: Revista técnica LUZ. En línea.

Los ácidos mas utilizados para realizar el proceso de lixiviación son ácido

sulfúrico (H2SO4), ácido nítrico (HNO3) y ácido clorhídrico (HCl). En el proceso de

lixiviación, se separa una fracción soluble de una fase sólida permeable e insoluble.

Para los ensayos por carga, un volumen de solución ácida es puesto en contacto con

una masa de fly ash aplicándosele una agitación constante durante cierto tiempo, cuyo

resultado dependerá en mucho de ciertas condiciones de temperatura y grado de

concentración del medio ácido. Los siguientes gráficos muestran la influencia de

dichas condiciones en el proceso (en el caso en que se usa acido clorhídrico como

lixiviante).

63

En la figura 4.6 Puede apreciarse que la recuperación del metal aumenta con

el tiempo de agitación. Sin embargo, esto sólo es apreciable hasta tener al menos una

hora de agitación. Durante el resto del tiempo hay poco cambio en la concentración

ya que se ha logrado la máxima extracción posible.

Fig. 4. 7. Efecto del tiempo de agitación sobre la lixiviación del níquel como función del grado de concentración del acido clorhídrico

Fuente: Revista técnica LUZ. En linea

De la misma manera en la Figura 4.7, se muestra el efecto del tiempo de

agitación sobre la recuperación de níquel, en una solución de ácido clorhídrico, a

50°C y para una muestra de cenizas original. Se nota un mayor tiempo de contacto

necesario para alcanzar la máxima extracción.

Además en las 4.6 y 4.7, se muestran gráficos de concentración del metal en

función del tiempo de agitación, para las diferentes concentraciones de ácido

clorhídrico utilizadas (5, 10 y 20% p/p). Se observa que, a medida que aumenta el

grado de concentración del ácido, la cantidad de metal extraído en solución es mayor,

para un mismo tiempo de agitación y una misma temperatura Esto implica que la

velocidad de lixiviación del metal es dependiente del grado de concentración del

ácido.

64

A medida que aumenta el tiempo de lixiviación, se incrementa la cantidad de

metal en solución, es decir, que la recuperación del metal depende directamente del

tiempo de contacto solución-fly ash. El incremento de la temperatura de lixiviación

favorece levemente la recuperación del metal en algunos medios ácidos.

65

CAPITULO V

PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS, DESCRIPCIÓN Y

FUNCIONAMIENTO

5.1. Descripción del proceso

5.1.1. Introducción

Un precipitador electrostático (PES) es un dispositivo de control de partículas

que utiliza fuerzas eléctricas para mover las partículas fuera de la corriente de gas

mediante placas recolectoras. A las partículas se les da una carga eléctrica

forzándolas a que pasen a través de una corona, una región en la cual fluyen iones

gaseosos. El campo eléctrico que forza a las partículas cargadas hacia las paredes,

proviene de electrodos que se mantienen a un alto voltaje en el centro de la línea de

flujo. La Figura 5.1 es un ejemplo de los componentes del precipitador electrostático.

Una vez que las partículas son recolectadas sobre las placas, deben ser

removidas de las placas sin que se re-encaucen en la corriente de gas. Esto se logra

usualmente desprendiéndolas de las placas, permitiendo que la capa de partículas

recolectada se deslice hacia una tolva desde la cual son evacuadas. Algunos

precipitadores remueven las partículas con lavados de agua intermitentes o continuos.

5.1.2. Tipos de PES

Los PES están configurados de varias maneras. Algunas de estas

configuraciones han sido desarrolladas para una acción de control especial y otras han

evolucionado por razones económicas. Los tipos que serán descritos aquí son el

precipitador de placa-alambre, la variedad más común, el precipitador de placa plana,

el precipitador tubular, el precipitador húmedo, el cual puede tener cualquiera de las

configuraciones mecánicas anteriores; y el precipitador de dos etapas.

66

Fig. 5.1. Componentes del Precipitador Electrostático

Fuente: FLsmidth airtech.

5.1.2.1 Precipitadores de placa-alambre

Los PES de placa-alambre son utilizados en una amplia variedad de

aplicaciones industriales, incluyendo calderas que queman carbón, petróleo residual,

hornos de cemento, incineradores de residuos no-peligrosos, calderas de recuperación

en plantas de papel, unidades de refinación de petróleo por desintegración catalítica,

plantas de sinterización, hornos básicos de oxígeno, hornos de chimenea abierta,

hornos de arco eléctrico, baterías de hornos de coque y hornos de vidrio.

En un PES de placa-alambre, el gas fluye entre placas paralelas de metal y

electrodos a alto voltaje. Estos electrodos son alambres largos con pesas, colgando

entre las placas o soportados ahí por estructuras tipo viguetas (armazones rígidas). En

cada dirección de flujo, el flujo del gas debe pasar por cada alambre en secuencia a

medida que fluye a través de la unidad.

El PES de placa-alambre permite que muchas líneas de flujo operen en

paralelo y cada línea puede ser muy alta. Como resultado, este tipo de precipitador es

67

adecuado para manejar grandes volúmenes de gas. La necesidad de golpetear las

placas para desprender el material recolectado, ha ocasionado que la placa sea

dividida en secciones, en ocasiones tres o cuatro en serie una con otra, las cuales

pueden ser golpeteadas independientemente. Con frecuencia, las fuentes de energía

son seccionadas de la misma manera para obtener mayores voltajes de operación y

puede emplearse un seccionamiento eléctrico adicional para incrementar la seguridad

de funcionamiento. El polvo también se deposita en el alambre electrodo de descarga

y debe ser removido periódicamente en forma similar a la placa de recolección.

Las fuentes de energía del PES convierten el voltaje industrial de corriente

alterna (CA)(220 a 480 V), a voltaje pulsante de corriente directa (CD) en el rango de

20,000 a 100,000 V según se necesite. El suministro consiste de un transformador

grande, rectificadores de alto voltaje y, a veces, filtros capacitores. La unidad puede

suministrar voltaje rectificado de CD ya sea de media onda o de onda completa. Hay

componentes auxiliares y controles para permitir ajustar el voltaje al valor más alto

posible sin excesivo chisporroteo y para proteger la fuente y los electrodos en caso de

que ocurra un arco fuerte o un corto circuito. El voltaje aplicado a los electrodos

causa que el aire entre los electrodos se rompa eléctricamente, una acción conocida

como una “corona”. Usualmente, a los electrodos se les da una polaridad negativa

porque una corona negativa soporta un voltaje mayor que una corona positiva antes

de que ocurran chispas. Los iones generados en la corona siguen las líneas del campo

eléctrico desde los alambres hasta las placas recolectoras. Por lo tanto, cada alambre

establece una zona de carga a través de la cual las partículas deben pasar. Las

partículas que pasan a través de la zona de carga interceptan a algunos de los iones,

los cuales se les adhieren. Las partículas pequeñas de aerosol < 1 mμ diámetro),

pueden absorber decenas de iones antes de que su carga total llegue a ser lo

suficientemente grande para repeler nuevos iones, y las partículas más grandes

(>10 mμ diámetro), pueden absorber decenas de miles. Las fuerzas eléctricas son por

lo tanto más fuertes en las partículas más grandes. A medida que las partículas pasan

cada alambre sucesivo, son llevadas cada vez más cerca de las paredes de

recolección. Sin embargo, la turbulencia en el gas tiende a mantenerlas

68

uniformemente mezcladas en el gas. El proceso de recolección es por lo tanto, una

competencia entre las fuerzas eléctricas y las dispersoras. Eventualmente, las

partículas se acercan tanto a las paredes que la turbulencia decae a niveles bajos y las

partículas son recolectadas. Si las partículas recolectadas pudieran ser desprendidas

hacia la tolva, el PES sería extremadamente eficiente. El golpeteo que desprende la

capa acumulada, también proyecta algunas de las partículas (típicamente el 12 por

ciento para cenizas volátiles de carbón), de nuevo a la corriente del gas. Estas

partículas re-encauzadas son entonces procesadas de nuevo por las secciones

posteriores, pero las partículas re-encauzadas en la última sección del PES no tienen

oportunidad de ser recapturadas y por tanto, escapan de la unidad. Las

consideraciones prácticas para pasar alto voltaje hacia el espacio entre las líneas de

flujo y permitir algún claro sobre las tolvas para soportar y alinear los electrodos, deja

lugar a que parte del gas fluya alrededor de las zonas cargadas. A esto se le llama

“escabullirse” y equivale del 5 al 10 por ciento del flujo total. Usualmente se colocan

deflectores anti-escabullimiento para forzar al flujo que se escabulle a que se mezcle

con la corriente principal del gas para ser recolectada en secciones posteriores. Pero,

de nuevo, el flujo que se escabulle alrededor de la última sección no tiene

oportunidad de ser recolectado.

Estas pérdidas juegan un papel importante en el funcionamiento global de un

PES. Otro factor importante es la resistividad del material recolectado. Debido a que

las partículas forman una capa continua sobre las placas del PES, toda la corriente de

los iones debe de pasar a través de la capa para alcanzar las placas a tierra. Esta

corriente crea un campo eléctrico en la capa y puede llegar a ser lo suficientemente

grande para causar un rompimiento eléctrico local. Cuando esto ocurre, nuevos iones

de la polaridad contraria son inyectados dentro del claro placa-alambre, donde

reducen la carga de las partículas y pueden causar chispas. Esta condición de

rompimiento es llamada “corona invertida”.

La corona invertida prevalece cuando la resistividad de la capa es alta,

usualmente sobre 2 x 1011 ohm-cm. Para resistividades menores, la operación del PES

no se afecta por coronas invertidas, pero las resistividades mucho mayores a 2 x 1011

69

ohm-cm reducen considerablemente la capacidad de recolección de la unidad, porque

la corona invertida severa causa dificultades para cargar las partículas. A

resistividades por debajo de 108 ohm-cm, las partículas se mantienen en las placas de

modo tan suelto, que el re-encauzamiento por golpeteo y sin golpeteo se vuelve más

severo. Debe tenerse cuidado al medir o estimar la resistividad porque se afecta

fuertemente por variables tales como la temperatura, la humedad, la composición del

gas, la composición de partícula y las características de la superficie. Existen PES

tipo placa-alambre en seco y en húmedo, la diferencia está en que este último utiliza

paredes húmedas en vez de seca evitando dificultades con el reencauzamiento pero

generando problemas de lodos ácidos que deben ser neutralizados antes de verterlos

al medio ambiente.

5.1.2.2 Precipitadores de placa-plana

Un número importante de precipitadores más pequeños (100,000 a 200,000

acfm), utilizan placas planas en lugar de alambres para los electrodos a alto voltaje.

Estas placas planas (patente de la Corporación United McGill), incrementa el campo

eléctrico promedio que puede ser usado para recolectar las partículas y proporcionan

un área superficial aumentada para la recolección de las partículas. Las coronas no

pueden generarse sobre las placas planas por si mismas, por lo que se colocan

electrodos generadores de coronas por delante de, y a veces por detrás de las zonas de

recolección de las placas planas. Estos electrodos pueden ser agujas puntiagudas

adheridas a los bordes de las placas o alambres de corona independientes. A

diferencia de los PES de placa-alambre o de los tubulares, este diseño opera

igualmente bien con polaridad ya sea negativa o positiva. Los fabricantes han

escogido utilizar polaridad positiva para reducir la generación de ozono.

Un PES de placa plana opera con poca o ninguna corriente de corona fluyendo

a través del polvo recolectado, excepto directamente bajo las agujas o alambres de la

corona. Esto tiene dos consecuencias. La primera es que la unidad es algo menos

susceptible a la corona invertida que lo que son las unidades convencionales, porque

no se genera corona invertida en el polvo recolectado y las partículas cargadas con

70

ambas polaridades de iones tienen gran superficie de recolección disponible. La

segunda consecuencia es que la falta de corriente en la capa recolectada causa una

fuerza eléctrica que tiende a remover la capa de la superficie de recolección; esto

puede conducir a grandes pérdidas por golpeteo.

Los PES de placa plana parecen tener amplia aplicación para partículas de alta

resistividad con diámetros másicos medio (MMD) pequeños (de 1 a 2 µm). Estas

aplicaciones enfatizan especialmente la fortaleza del diseño porque las fuerzas

eléctricas desprendedoras son más débiles para las partículas pequeñas que para las

grandes. Las cenizas de carbón han sido recolectadas satisfactoriamente con este tipo

de PES, pero una baja velocidad de flujo parece ser crítica para evitar pérdidas altas

por golpeteo.

5.1.2.3 Precipitadores tubulares

Los PES originales eran tubulares, como las chimeneas donde eran colocados,

con los electrodos a alto voltaje orientados a lo largo del eje del tubo. Los

precipitadores tubulares tienen aplicaciones típicas en plantas de adición de ácido

sulfúrico, limpieza del gas subproducto de los hornos de coque (remoción de

alquitrán), y, recientemente, plantas de sinterización de hierro y acero. Tales unidades

tubulares aún son utilizadas para algunas aplicaciones, con muchos tubos operando en

paralelo para manejar mayores flujos de gas. Los tubos pueden tener forma como un

panal circular, cuadrado o hexagonal con el gas fluyendo hacia arriba o hacia abajo.

La longitud de los tubos puede seleccionarse según las condiciones. Un PES tubular

puede sellarse herméticamente para prevenir fugas de material, especialmente

material valioso o peligroso. Un PES tubular es esencialmente una unidad de una

etapa y es única, en que tiene a todo el gas pasando a través de la región del

electrodo. El electrodo a alto voltaje opera a un voltaje en toda la longitud del tubo y

la corriente varía a lo largo de su longitud a medida que las partículas son removidas

del sistema. No hay rutas de escabullimiento alrededor de la región de recolección,

pero las deformidades de la corona pueden permitir que algunas partículas eviten

cargarse en una fracción considerable de la longitud del tubo.

71

Los PES tubulares son una porción pequeña de la población de PES y se

aplican más comúnmente donde el particulado es húmedo o pegajoso. Estos PES

usualmente limpiados con agua, tienen pérdidas por re-encauzamiento de una

magnitud menor que la de los precipitadores de particulado seco.

5.1.2.4. Precipitadores húmedos

Cualquiera de las configuraciones del precipitador discutidas anteriormente

puede operar con paredes húmedas en vez de secas. El flujo del agua puede aplicarse

intermitente o continuamente, para lavar las partículas recolectadas y enviarlas a la

tolva de recolección para su disposición. La ventaja del precipitador de pared húmeda

es que no tiene problemas con el reencauzamiento por golpeteo o con coronas

invertidas. La desventaja es la mayor dificultad del lavado y el hecho de que el lodo

recolectado debe ser manejado más cuidadosamente que un producto seco,

aumentando los gastos de disposición.

5.1.2.5. Precipitadores de dos etapas

Los precipitadores descritos previamente son todos paralelos en naturaleza. El

precipitador de dos etapas es un dispositivo en serie con el electrodo de descarga o

ionizador, precediendo a los electrodos de recolección. Para aplicaciones en

interiores, la unidad es operada con una polaridad positiva para limitar la generación

de ozono.

Las ventajas de esta configuración incluyen más tiempo para cargar las

partículas, menos propensión a corona invertida y construcción económica para

tamaños pequeños. Este tipo de precipitador es generalmente utilizado para

volúmenes de flujo de gas de 50,000 acfm y menos y se aplica a fuentes sub-

micrométricas emitiendo rocíos de aceite, humos, gases de combustión u otros

particulados pegajosos, porque hay poca fuerza eléctrica para retener a los

particulados recolectados sobre las placas. Pueden colocarse módulos en paralelo o en

arreglos serie-paralelo, consistentes de un pre-filtro mecánico, ionizador, celda de la

placa recolectora, post-filtro y caja de poder. El pre-acondicionamiento de los gases

72

es normalmente parte del sistema. La limpieza puede ser por lavado con agua de los

módulos removidos del sistema, hasta automático in-situ, por aspersión del colector

con detergente, seguido de secado por sopleteo con aire. Se considera que los

precipitadores de dos etapas son tipos de dispositivos separados y distintos

comparados con los PES grandes de una etapa, de alto volumen de gas. Los

dispositivos más pequeños son vendidos usualmente como sistemas en paquete pre-

diseñados.

73

5.1.3. Equipo auxiliar

En la Figura 5.3 se muestra esquemáticamente el equipo auxiliar típicamente

asociado con un sistema de PES. Junto con el propio PES, un sistema de control

usualmente incluye el siguiente equipo auxiliar: un dispositivo de captura (ej.

campana o conexión directa a la extracción); conductos, equipo de remoción de polvo

(transportadores de gusano, etc.), ventiladores, motores y arrancadores; y chimenea.

Adicionalmente, pueden necesitarse enfriadores por aspersión y colectores mecánicos

para pre-acondicionar al gas antes de que llegue al PES. Usualmente, los dispositivos

de captura son campanas que extraen a los contaminantes hacia los conductos o son

extracciones directas acopladas a un equipo de combustión o de proceso. Estos

dispositivos usualmente están recubiertos de refractario, enfriados por agua o

simplemente fabricados de acero al carbón, dependiendo de las temperaturas de la

corriente de gas. Los dispositivos de captura refractarios o enfriados por agua son

utilizados donde las temperaturas de pared exceden los 800 Fo ; el acero al carbón es

utilizado para temperaturas menores. Los conductos, al igual que el dispositivo de

control, deben ser enfriados por agua, refractarios o de acero inoxidable para procesos

calientes o de acero al carbón para temperaturas del gas por debajo de 1,150 Fo

(temperaturas de la pared del conducto < 800 Fo ). Los conductos deben

dimensionarse para velocidades del gas de aproximadamente 4,000 minpies para el

caso promedio, para prevenir la deposición de las partículas en los conductos. Las

partículas grandes o densas pueden requerir velocidades mayores, pero raramente se

usarán velocidades más bajas. Las cámaras de aspersión pueden requerirse para

procesos en los que la adición de humedad o la disminución de la temperatura o del

volumen de gas, pueden mejorar la precipitación o proteger al PES contra torceduras.

Para procesos de combustión con temperaturas de los gases debajo de

aproximadamente 700 Fo , no se requerirá de enfriamiento y los gases de extracción

pueden entregarse directamente al precipitador. Cuando la mayor parte de la carga de

contaminantes consiste de partículas relativamente grandes, pueden utilizarse

colectores mecánicos, tales como los ciclones, para reducir la carga al PES,

74

especialmente con concentraciones altas de entrada. Los ventiladores proporcionan la

potencia impulsora para el movimiento del aire y pueden montarse antes o después

del PES.

Fig. 5.3. Dispositivo de Control y Equipo Auxiliar Típico

Fuente: Environmental Protection Agency.

Una chimenea, normalmente usada, ventea la corriente limpia a la atmósfera.

En ocasiones se utilizan transportadores de gusano o neumáticos para retirar el polvo

capturado del fondo de las tolvas.

Los PES húmedos requieren que se inyecte o rocíe una fuente de agua para

lavado, cerca de la tapa de las placas colectoras, ya sea continuamente o a intervalos

de tiempo. El agua fluye con las partículas recolectadas hacia un cárcamo desde el

cual el fluido es bombeado. Una porción del fluido puede ser reciclado para reducir la

cantidad total de agua requerida. El resto es bombeado directamente a una fosa de

asentamiento o pasado a través de un proceso de remoción de agua y la subsiguiente

disposición del lodo. Ocasionalmente se utiliza equipo de acondicionamiento de gas

para mejorar el funcionamiento del PES al cambiar la resistividad, como parte del

diseño original, pero es utilizado más frecuentemente para mejorar PES existentes. El

equipo inyecta un agente en la corriente del gas antes del PES. Usualmente, el agente

se mezcla con las partículas y altera su resistividad para promover una velocidad de

migración mayor y por consiguiente, una eficiencia de recolección mayor. Sin

embargo, las propiedades eléctricas del gas pueden cambiar, en vez de la resistividad

75

del polvo. Por ejemplo, enfriar el gas permitirá que se aplique más voltaje antes de

que ocurran las chispas. Los agentes acondicionantes importantes que se utilizan

incluyen al 3SO , 42SOH , compuestos de sodio, amoníaco y agua, pero el principal

agente acondicionante por su uso es el 3SO . Una dosificación típica para cualquiera

de los agentes es de 10 a 30 ppm por volumen. El equipo requerido para el

acondicionamiento depende del agente utilizado. Un acondicionamiento típico de

3SO requiere el suministro de azufre fundido. Se almacena en un recipiente

calentado y es suministrado al quemador, donde se oxida a 2SO . El gas 2SO pasa

sobre un catalizador para otra oxidación más a 3SO . El gas 3SO es entonces inyectado

en la corriente de los gases de combustión a través de un conjunto de sondas de

múltiples salidas perforadas en el conducto. En lugar de un quemador de azufre para

proporcionar 2SO , se puede vaporizar 2SO líquido desde un tanque de

almacenamiento. Aunque los costos totales anuales son más altos, los sistemas de

2SO líquido tienen costos de capital menores y son más fáciles de operar que los

sistemas basados en azufre fundido.

La inyección de agua o de amoníaco requiere de un conjunto de boquillas de

aspersión en el conducto, junto con el equipo de bombeo y de control. El

acondicionamiento con sodio es a veces realizado recubriendo el carbón sobre un

transportador, con un compuesto pulverizado o una solución acuosa del compuesto

deseado. Para este propósito, en ocasiones se posiciona una tolva o tanque de

almacenamiento sobre el transportador.

5.1.4. Teoría de la precipitación electrostática

La teoría de la operación del PES requiere de muchas disciplinas científicas

para describirla completamente. El PES es básicamente una máquina eléctrica. Las

principales acciones son cargar eléctricamente las partículas y forzarlas hacia las

placas recolectoras. La cantidad de materia particulada cargada afecta al punto de

operación eléctrico del PES. El transporte de las partículas se afecta por el nivel de

turbulencia en el gas. Las pérdidas mencionadas anteriormente, el escabullimiento y

76

el reencauzamiento por el golpeteo, son las principales influencias en el

comportamiento total del sistema. Las propiedades de partícula también causan un

efecto importante en la operación de la unidad. Las siguientes sub-secciones

explicarán la teoría detrás de:

• Puntos de operación eléctricos en el PES.

• Carga de partículas

• Recolección de partículas

• Escabullimiento y reencauzamiento por golpeteo.

5.1.4.1 Punto de operación eléctrico

El punto de operación eléctrico de una sección de PES es el valor del voltaje y

la corriente al cual opera la sección. Tal y como podría ser, la mejor recolección

ocurre cuando está presente el mayor campo eléctrico, lo cual corresponde

aproximadamente con el voltaje más alto en los electrodos. En este trabajo, el término

“sección” representa un conjunto de placas y electrodos en la dirección del flujo. Esta

unidad es comúnmente llamada un “campo” y una “sección” o “sección conductora”

representa una subdivisión de un “campo” perpendicular a la dirección del flujo. En

un PES modelo y en aplicaciones para determinar tamaño, los dos términos “sección”

y “campo” son utilizados equivalentemente porque la subdivisión en secciones

conductoras no debe tener efecto en el modelo. Esta terminología probablemente ha

surgido debido al uso frecuente de la palabra “campo” para referirse al campo

eléctrico.

El voltaje más bajo aceptable es el voltaje requerido para la formación de la

corona, la descarga eléctrica que produce iones para cargar las partículas. La corona

(negativa) se produce cuando un electrón libre ocasional cerca del electrodo a alto

voltaje, producido por un rayo cósmico, gana suficiente energía del campo eléctrico

para ionizar al gas y producir más electrones libres. El campo eléctrico por el cual

este proceso se auto-sostiene, ha sido determinado experimentalmente. Para alambres

redondos, el campo en la superficie del alambre está dado por:

77

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

5.06 0301.0110126.3

w

rrc r

ddxE (5.1)

Donde:

cE = campo de formación de la corona en la superficie del alambre ( mV )

rd = densidad relativa del gas, referido a 1 atm. de presión y 20º C

(adimensional)

wr = radio del alambre, metros (m)

Este es el campo requerido para producir corona “resplandeciente”, la forma

usualmente vista en el laboratorio sobre alambres lisos y limpios. El resplandor

aparece como una luz difusa, uniforme, moviéndose rápidamente alrededor del

electrodo. Después de un período de operación, el movimiento se concentra en

pequeños puntos sobre la superficie del alambre, y la corona adquiere una apariencia

como de penacho. El campo para producir corona en “penacho”, la forma encontrada

en PES a escala completa, es 0.6 veces el valor de cE . El voltaje que debe aplicarse al

alambre para obtener este valor de campo, cV , se encuentra integrando el campo

eléctrico desde el alambre hasta la placa. El campo sigue una dependencia simple de

“1/r” en geometría cilíndrica. Esto lleva a una dependencia logarítmica del voltaje en

las dimensiones del electrodo. En la geometría placa-alambre, la dependencia del

campo es algo más compleja, pero el voltaje aún muestra la dependencia logarítmica.

cV está dado por:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

wwcc r

drEV ln (5.2)

Donde:

cV = voltaje de formación de la corona (V)

d = radio del cilindro exterior para PES tubular (m)

No fluirá corriente hasta que el voltaje alcance este valor, pero la cantidad de

corriente se incrementará pronunciadamente para voltajes arriba de este valor. La

78

densidad máxima de corriente (A/m2) en la placa o cilindro directamente debajo del

alambre, está dada por:

3

2

LVj με= (5.3)

Donde:

j = densidad máxima de corriente (A/m2)

μ = movilidad del ión (m2/V*s) (metros2/voltio-segundo)

ε = permisividad de espacio libre (8.8541 x 10-12 mF

) (Farad / metro)

V = voltaje aplicado (V)

L = distancia más corta del alambre a la superficie de recolección (m)

Para la corona en penacho, la densidad de la corriente es cero hasta que se

alcanza el voltaje de formación de la corona, cuando brinca casi hasta este valor de j

dentro de unos pocos cientos de voltios, directamente debajo de un penacho.

La región cerca del alambre está fuertemente influida por la presencia de iones

ahí, y la magnitud del voltaje de formación de la corona muestra variaciones

espaciales fuertes.

Fuera de la región de la corona, es muy uniforme. El campo eléctrico es más

fuerte a lo largo de la línea de alambre a placa y es aproximado bastante bien, excepto

cerca del alambre, por:

LVE =max (5.4)

Donde:

maxE = fuerza máxima del campo (V/m)

Cuando el campo eléctrico en todo el claro entre el alambre y la placa se

vuelve suficientemente fuerte, ocurrirá una chispa, y el voltaje no podrá ser

incrementado sin que ocurra centelleo severo.

79

El campo al cual ocurre la chispa no está definido precisamente, pero un valor

razonable está dado por: 65.1

5 273103.6 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= P

TxEs (5.5)

Donde:

sE = fuerza del campo centelleante (V/m)

T = temperatura absoluta (K)

P = presión del gas (atm)

Este campo podría alcanzarse a un voltaje de, por ejemplo, 35,000 V para un

espaciamiento placa-alambre de 11.4 cm (4.5 in.) a una temperatura de 149oC

(300oF). El PES operaría generalmente cerca de este voltaje en ausencia de corona

invertida. maxE será igual o menor que Es. En lugar del centelleo, puede ocurrir

corona invertida si el campo eléctrico en la capa de polvo, resultante del flujo de

corriente en la capa, alcanza un valor crítico de cerca de 1 x 10 6 V/m. Dependiendo

de las condiciones, la corona invertida, puede realzar el centelleo o puede generar

tanta corriente que el voltaje no pueda aumentarse más. El campo en la capa está

dado por:

ρjEl = (5.6)

Donde:

lE = campo eléctrico en la capa de polvo (V/m)

D = resistividad del material recolectado (ohm-m)

5.1.4.2. Cargado de partículas

El cargado de las partículas toma lugar cuando los iones bombardean la

superficie de una partícula. Una vez que un ión está cerca de la partícula, es ligado

fuertemente debido a la carga imagen en la partícula. La “carga imagen” es una

representación de la distorsión de la carga que ocurre cuando una carga real se

aproxima a una superficie conductora. La distorsión es equivalente a una carga de

magnitud opuesta a la carga real, localizada tan abajo de la superficie como la carga

80

real está por encima de ella. La noción de una carga ficticia es similar a la noción de

una imagen en el espejo, de ahí el nombre. A medida que más iones se acumulan

sobre la partícula, la carga total tiende a prevenir más bombardeo iónico.

Hay dos mecanismos de carga principales: carga por difusión y carga por

campo. La carga por difusión resulta de la energía cinética térmica de los iones

venciendo la repulsión de los iones que ya están sobre en la partícula. La carga por

campo ocurre cuando los iones siguen las líneas del campo eléctrico hasta que

terminan sobre una partícula. En general, ambos mecanismos operan para todos los

tamaños de partículas. La carga por campo, sin embargo, agrega un porcentaje más

grande de carga de partículas mayores de cerca de 2µm en diámetro, y la carga por

difusión agrega un porcentaje mayor de partículas menores a acerca de 0.5 µm.

La carga por difusión produce un nivel de carga de partícula que se

incrementa logarítmicamente, dado por:

( ) )1ln(. re

rkttq +⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= (5.7)

Donde:

( )tq = carga de la partícula (C) como función del tiempo, t, en segundos

r = radio de la partícula (m)

k = constante de Boltzmann (j/K)

T = temperatura absoluta (K)

e = carga del electrón (1.67 x 10-19C)

τ = tiempo adimensional dado por:

kTeNvr θπτ ***** 2

= (5.8)

Donde:

v = velocidad térmica media de los iones (m/s)

81

N = concentración del número de iones cerca de la partícula (No./m3)2

=tiempo real de exposición)

θ = tiempo real (tiempo de exposición en la zona de carga) (s)

La carga por difusión nunca alcanza un límite, pero se vuelve muy lenta

después de cerca de tres unidades de tiempo adimensional. Para tiempos de

exposición fijos, la carga en las partículas es proporcional a su radio.

La carga por campo también exhibe una dependencia del tiempo, dada por:

´)(τθθ+

= sqtq (5.9)

Donde:

sq = carga de saturación, carga a tiempo infinito (C)

θ = tiempo real (s)

τ′ = otra unidad de tiempo adimensional

La carga de saturación está dada por:

Ersq 212 πε= (5.10)

Donde:

ε = permisividad de espacio libre (F/m)

E = campo eléctrico externo aplicado a la partícula (V/m)

La carga de saturación es proporcional al cuadrado del radio, lo cual explica

porque la carga por campo es el mecanismo dominante para partículas grandes.

La constante de tiempo de la carga por campo está dada por:

με

Ner 4´ = (5.11)

Donde:

82

µ = movilidad del ión

Hablando estrictamente, ambos mecanismos de carga, por difusión y por

campo, operan al mismo tiempo en todas las partículas y ninguno es suficiente para

explicar las cargas medidas en las partículas. Se ha encontrado empíricamente que

una muy buena aproximación a la carga medida está dada por la suma de las cargas

predichas por las ecuaciones 5.7 y 5.9 independientemente una de otra.

)(tqtot = )(tqd + )(tq f (5.12)

Donde:

)(tqtot = carga de la partícula debida a ambos mecanismos

)(tqd = carga de la partícula debida a carga por difusión

)(tq f = carga de la partícula debida a carga por campo

5.1.4.3. Recolección de la partícula

El campo eléctrico en la zona de recolección produce una fuerza sobre una

partícula, proporcional a la magnitud de su campo y a la carga:

qEFe = (5.13)

Donde:

eF = fuerza debida al campo eléctrico (N)

q = carga en la partícula (C)

E = campo eléctrico (V/m)

Debido a que el mecanismo de carga por campo proporciona una carga última

proporcional al campo eléctrico, la fuerza sobre las partículas grandes es proporcional

al cuadrado del campo, lo cual muestra la ventaja de mantener un campo tan alto

como sea posible. Al movimiento de las partículas bajo la influencia del campo

eléctrico se le opone la tensión viscosa del gas. Al comparar la fuerza eléctrica y el

83

componente de la fuerza de tensión debido al campo eléctrico (de acuerdo con la ley

de Stokes), podemos obtener la velocidad de la partícula:

( )r

rECrEqrEqvπη6

)(),(,, = (5.14)

Donde:

( )rEqv ,, = velocidad de la partícula (m/s)

),( rEq = carga de la partícula (C)

)(rC = corrección de Cunningham a la ley de Stokes (adimensional)

η = velocidad del gas (kg/ms)

La velocidad de la partícula, es la rapidez a la cual la partícula se mueve a lo

largo de las líneas del campo eléctrico. Para un campo eléctrico dado, esta velocidad

está usualmente en un mínimo para partículas de diámetro de cerca de 0.5 µm.

Las partículas más pequeñas se mueven más rápido porque la carga no

decrece mucho, pero el factor de Cunningham se incrementa rápidamente a medida

que el radio decrece. Las partículas más grandes tienen una carga que se incrementa

como r2 y una tensión viscosa incrementándose solo como r, la velocidad entonces,

se incrementa como r. La ecuación (5.14) da la velocidad de partícula con respecto a

aire en reposo. En un PES, el flujo es usualmente turbulento, con velocidades

instantáneas del gas de la misma magnitud que las velocidades de las partículas, pero

en direcciones aleatorias. El movimiento de las partículas hacia las placas de

recolección es por tanto un proceso estadístico, con un componente promedio

impartido por el campo eléctrico y un componente fluctuante por la turbulencia del

gas.

Este movimiento estadístico conduce a una ecuación exponencial de

recolección, dada por:

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

vrvrNrN )(exp)(0 (5.15)

Donde:

84

( )rN = concentración de partículas de tamaño r a la salida de la zona de

recolección (No/m3)

)(0 rN = concentración de partículas de tamaño r a la entrada de la zona

(No/m3)

)(rv = velocidad de partícula dependiente del tamaño (m/s)

0v = velocidad característica del PES (m/s), dada por:

AQv =0 (5.16)

Donde:

Q = rapidez de flujo volumétrico del gas (m3/s)

A = área de la placa de la zona de recolección del PES (m2)

SCA = área específica de recolección (A/Q) (s/m)

Cuando esta ecuación de recolección es promediada para todos los tamaños de

partícula y ponderada de acuerdo a la concentración de cada tamaño, la ecuación de

Deutsch resulta, con una penetración (fracción de partículas que escapan) dada por:

( )xSCAwp e−= exp (5.17)

Donde:

p = penetración (fracción)

ew = velocidad efectiva de migración para el conjunto de partículas (m/s)

La eficiencia de recolección está dada por:

( ) ( )pEff −= 1100% (5.18)

y es el número más frecuentemente utilizado para describir el comportamiento

de un PES.

85

5.1.4.4 Escabullimiento y reencauzamiento por golpeteo

El escabullimiento y el reencauzamiento son considerados mejor en las bases

de las secciones dentro de un PES. El escabullimiento ocurre cuando una parte del

flujo del gas evita la zona de recolección de una sección. Generalmente, la porción

del gas que evita la zona, está totalmente mezclado con el gas que pasa a través de la

zona antes de que todo el gas entre a la siguiente sección. No puede suponerse

siempre este mezclado, y cuando existen rutas de escabullimiento alrededor de varias

secciones, el funcionamiento de todo el PES es seriamente afectado. Para describir

matemáticamente los efectos del escabullimiento y del reencauzamiento por golpeteo,

primero consideramos el escabullimiento por si mismo y luego consideramos los

efectos del golpeteo como un promedio de muchos ciclos de golpeteo. Con la

suposición de que el gas está bien mezclado entre secciones, la penetración de cada

sección puede ser expresada como:

( ) ( )[ ]´1 QpxSSP cNNs −+= (5.19)

Donde:

sP = penetración fraccional de la sección

NS = fracción del gas que evita la sección (escabullimiento)

´Qpc = fracción de las partículas penetrando la zona de recolección, la cual es

funcionalmente dependiente de Q´, la rapidez de flujo volumétrico del gas en la zona

de recolección, reducida por el escabullimiento (m3/s)

La penetración de todo el PES es el producto de las penetraciones de las

secciones. El escabullimiento establece un límite más bajo en la penetración de

partículas a través de la sección.

Para calcular los efectos del golpeteo, primero calculamos la cantidad de

material capturado en las placas de la sección. La fracción del material que es

atrapado está dada por:

( ) ( )[ ]´

0

(111 QpxSSpmm

cNNs −−−=−= (5.20)

86

Donde:

0mm = fracción masa recolectada de la corriente de gas

Este material se acumula hasta que las placas son golpeteadas, después de lo

cual la mayor parte del material cae dentro de la tolva para su disposición, pero una

fracción es reencauzado y sale de la sección. Se han conducido mediciones

experimentales en PES para cenizas flotantes para evaluar la fracción re-encauzada,

la cual promedia cerca de 12 por ciento.

La penetración promedio para una sección, incluyendo escabullimiento y re-

encauzamiento, es:

( ) ( )[ ] ( )[ ]´´ 1)1((1 QpSRRQpxSSp cNcNNs −−+−+= (5.21)

Donde:

RR = fracción re-encauzada

El factor de pérdida LF (adimensional) viene dado por:

LF= NS + RR (l - NS ). (5.22)

Sustituyendo LF en (5.21) puede escribirse en una forma más compacta como:

( ) ( )[ ]´(1 QpxLFLFp cs −+= (5.23)

Estas fórmulas pueden permitir cantidades variables de escabullimiento y

reencauzamiento por golpeteo para cada sección, pero no existe evidencia

experimental para sugerir que sea necesario.

Los precipitadores para cenizas flotantes analizados de esta manera tienen un

NS promedio de 0.07 y un RR de 0.12. Estos valores son los mejores de que se

dispone ahora, pero algunos PES húmedos, que presumiblemente no tienen pérdidas

por golpeteo, han mostrado valores de NS de 0.05 o menos. Estos valores ofrecen un

medio para estimar el funcionamiento de PES cuyas características actuales no son

87

conocidas, pero acerca de los cuales puedan hacerse afirmaciones generales. Por

ejemplo, se esperaría que los PES húmedos tuvieran RR = 0, como lo tendrían los

PES que recolectan partículas húmedas o pegajosas. Se esperaría que los materiales

particulados con un diámetro másico medio, MMD, mucho menor que las cenizas

flotantes, tuvieran un factor RR menor porque son retenidas mas fuertemente a las

placas y entre ellas. Los factores de escabullimiento son más difíciles de ser

calculados; a menos que se hayan hecho esfuerzos especiales en el diseño para

controlar el escabullimiento, debe usarse el valor de 0.07.

5.2 Procedimiento de diseño del PES

5.2.1 Área especifica de recolección

El SCA (área específica de recolección), es un parámetro utilizado para

comparar PES y estimar burdamente su eficiencia de recolección. El SCA es el área

total de la placa recolectora dividida por la rapidez de flujo volumétrico del gas y

tiene unidades de s/m o s/pie. Puesto que el SCA es la relación A/Q, es con frecuencia

expresada como m2/(m3/s) o kacfm

ft 2

donde kacfm son mil acfm . El SCA es también

uno de los factores más importante al determinar el capital y varios de los costos

anuales del PES (por ejemplo, costos de mantenimiento y de disposición del polvo),

porque determina el tamaño de la unidad. Debido a los varios modos en los cuales

puede expresarse el SCA, en la Tabla 5.1 se proporcionan SCA equivalentes en las

diferentes unidades para la que puede ser considerada como SCA chica, mediana y

grande.

Unidades Pequeñas Mediana Grande ft/kacfm 100 400 900

s/m 19,7 78,8 177 s/ft 6 24 54

Tabla 5.1: SCA Pequeñas, Medianas y Grandes Expresadas en Varias Unidades


88

El procedimiento de diseño está basado en el enfoque del factor de pérdida de

Lawless y Sparks y considera un número de parámetros de proceso. Puede ser

calculado a mano, pero es más convenientemente utilizado con un programa de hoja

de cálculo. Para muchos usos, las tablas de velocidades efectivas de migración

pueden ser utilizadas para obtener el SCA requerida para una eficiencia dada. En la

siguiente sub-sección, las tablas han sido calculadas utilizando el procedimiento de

diseño para un número de diferentes fuentes de partículas y para diferentes niveles de

eficiencias. Si se encuentra una situación que no esté cubierta en estas tablas,

entonces debe utilizarse el procedimiento completo que aparece en la sección

siguiente.

5.2.1.1 Procedimiento para SCA con velocidad de migración conocida.

Si la velocidad de migración es conocida, entonces la Ecuación 5.17 puede ser

re-arreglada para dar el SCA:

ewpSCA )ln(−

= (5.24)

Una solución gráfica a la ecuación 5.24 está dada en la Figura 5.4. Las

velocidades de migración han sido calculadas para tres tipos principales de

precipitadores: placa-alambre, placa plana y PES húmedos del tipo placa-alambre. En

las siguientes tres tablas, asociadas a la eficiencia de diseño como una cantidad

variable, se resumen las velocidades de migración bajo varias condiciones:

• En la Tabla 5.2, las velocidades de migración están dadas para un PES placa-

alambre sin condiciones de corona invertida o corona invertida severa;

temperaturas apropiadas para cada proceso han sido asumidas

• En la Tabla 5.3, las velocidades de migración calculadas para un PES de

pared húmeda del tipo de placa-alambre, asumen ausencia de corona invertida

y reencauzamiento por golpeteo.

• En la Tabla 5.4, las velocidades de migración calculadas de un PES de tipo

de placa plana están dadas solo para condiciones sin corona invertida porque

parece afectarse menos que los tipos de placa-alambre.

89

Generalmente se espera por experiencia, que las velocidades de migración

decrecerán con incrementos en la eficiencia. En las Tablas 5.1 a la 5.4, sin embargo,

las velocidades de migración muestran algunas fluctuaciones. Esto es porque el

número de secciones debe incrementarse a medida que incrementa la eficiencia, y la

cambiante seccionalización afecta la velocidad global de migración. Este efecto es

particularmente notorio, por ejemplo, en la Tabla 5.4 para plantas de vidrio. Cuando las

velocidades de migración en las tablas son utilizadas para obtener SCA para las diferentes

eficiencias en las tablas, las SCA se incrementan a medida que se incrementa la eficiencia

Fig. 5.4: Gráfica para Encontrar SCA Fuente: Environmental Protection Agency.

90

Tabla 5.2: Velocidades de migración en PES de placa-alambre de pared húmeda (cm/s) Fuente: Environmental Protection Agency.

Eficiencia de Diseño( %)

Fuente de Partículas 95 99 99.5 99.9

12.6 10.1 9.3 8.2 Ceniza flotante de carbón bituminosob

(no CI) (CI) 3.1 2.5 2.4 2.1

17.0 11.8 10.3 8.8 Ceniza flotante de carbón bituminoso

de calderas con fogón tangencial

(no CI) (CI) 4.9 3.1 2.6 2.2

9.7 7.9 7.9 7.2 Otros carbones b (no CI) (CI) 2.9 2.2 2.1 1.9

1.5 1.5 1.8 1.8 Horno de Cemento c (no CI) (CI) 0.6 0.6 0.5 0.5

1.6 1.6 1.5 1.5 Planta de Vidrio d (no CI)

(CI) 0.5 0.5 0.5 0.5

6.8 6.2 6.6 6.3 Polvo de planta sinterización deHierro / acero con precolector

mecánico b(no CI)

(CI) 2.2 1.8 1.8 1.7 Caldera de recuperación de

papel Kraft b (no CI) 2.6 2.5 3.1 2.9

Ceniza flotante del incinerador e (no CI) 15.3 11.4 10.6 9.4

Horno de cobre reverbatorio f (no CI) 6.2 4.2 3.7 2.9

Convertidor de Cobre h (no CI) 5.5 4.4 4.1 3.6

Quemador de Cobre h (no CI) 6.2 5.5 5.3 4.8

Chimenea de planta de combustión de Coque i (no CI) 1.2 j - - -

b. A 300 °F. Dependiendo en condiciones individuales de cada caldera, naturaleza química de la ceniza flotante y

disponibilidad de agentes acondicionadores de ocurrencia natural. Las velocidades de migración pueden variar

considerablemente de estos valores. Valores probables están en el rango de corona invertida a no corona invertida.

c. A 600°F.

d. A 500°F.

e. A 250 °F.

f. 450 °F a 570 °F

g .500oF a 700oF

h. 600oF a 660oF

i .360oF a 450oF

j. Data disponible solo para concentraciones en el rango de 0.02 a 0.2 g/s m3 y para eficiencias de menos de 90%.

91

Tabla 5.3. Velocidades de migración en PES de placa-alambre de pared húmeda (sin corona

invertida, cm/s) Fuente: Environmental Protection Agency.

Eficiencia de Diseño (%) Fuente de Partículas

95 99 99.5 99.9 Ceniza flotante de carbón bituminoso 31.4 33.0 33.5 24.9

Ceniza flotante de carbón bituminoso de calderas con fogóntangencial 40.0 42.7 44.1 31.4

Otros carbones 21.1 21.4 21.5 17.0

Horno de Cemento 6.4 5.6 5.0 5.7

Planta de Vidrio 4.6 4.5 4.3 3.8

Polvo de planta sinterización de Hierro / acero con precolector mecánico 14.0 13.7 13.3 11.6

Tabla 5.4.Velocidades de migración en PES de placa plana (sin corona invertida, cm/s) Fuente: Environmental Protection Agency.

Eficiencia de Diseño % Fuente de Partículas

95 99 99.5 99.9

Ceniza flotante de carbón bituminoso 13.2 15.1 18.6 16.0

Ceniza flotante de carbón bituminoso de calderas con fogón tangencial 28.6 18.2 21.2 17.7

Otros carbones 15.5 11.2 151 13.5

Horno de Cemento 2.4 2.3 3.2 3.1

Planta de Vidrio 1.8 1.9 2.6 2.6 Polvo de planta sinterización de Hierro /

acero c

13.4 12.1 13.1 12.4

Caldera de recuperación de papel Kraft 5.0 4.7 6.1 5.3

Ceniza flotante del incinerador 25.2 16.9 21.1 18.3

92

5.2.1.2. Procedimiento completo para determinar el SCA

Aquí se presenta el procedimiento completo para determinar el SCA para PES

grandes de placa-alambre, placa plana y tubulares secos (con restricciones). Este

procedimiento no se aplica para los precipitadores de dos etapas más chicos porque

éstos son paquetes modulares generalmente dimensionados y vendidos en base a la

rapidez de flujo volumétrico del gas residual. Ni se aplica este procedimiento a la

determinación del SCA de PES húmedos. El procedimiento completo consiste de los 15

pasos que se dan enseguida:

Paso 1. Determinar la eficiencia de diseño, (%)Eff . La eficiencia es el término

comúnmente utilizado en la industria y es el valor de referencia para las garantías. Sin

embargo, si no ha sido especificada, puede calcularse como sigue:

adeentradacadesalidacEff

argarg1*100(%) −= (5.25)

Paso 2. Calcular la penetración de diseño, p.

Paso 3. Obtener la temperatura de operación, T, En los cálculos que siguen se

requiere la temperatura en grados Kelvin.

Paso 4. Determinar si está o no presente corona invertida severa. Usualmente

ocurre corona invertida severa para resistividades de polvo arriba de 2 x 1011 ohm-cm.

Su presencia incrementará grandemente el tamaño del PES requerido para alcanzar

una cierta eficiencia.

Paso 5 .Determinar el MMD de la distribución de partícula de entrada MMDi

(µm). Si éste no es conocido, suponga un valor de la siguiente tabla:

93

Tabla 5.5. Diámetro másico medio (MMD) Fuente: Environmental Protection Agency.

Fuente MMD 1 (μm)

Ceniza flotante de carbón bituminoso 16 Ceniza flotante de carbón bituminoso, de

calderas tangenciales 21

Ceniza flotante de carbón bituminoso, otros tipos de calderas 10 a15

Horno de Cemento 2 a 5

Planta de Vidrio 1

Caldera de combustión de madera 5 Planta de sinterización 50

con precolector mecánico 6 Procesos de recuperación Kraft 2

Incineradores 15 a 30 Horno de Cobre 1

Convertidor de cobre 1

Chimenea de planta de combustión de Coque 1

Desconocido 1

Paso 6. Suponer un valor para el escabullimiento, NS , y para el

reencauzamiento por golpeteo, RR, de las siguientes tablas:

Tabla 5.6. Factor de escabullimiento


TIPODE PES SN

Placa-alambre 0.07

Pared Húmeda 0.05

Placa Plana 0.10

94

Tabla 5.7.Factor de reencauzamiento por golpeteo


PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO/ TIPO DE CENIZA RR

Ceniza flotante de carbón, o desconocida 0.124

Pared húmeda 0.0

Placa plana con velocidad de gas > 1.5 m/s (ni vidrio ni cemento) 0.15

Vidrio o cemento 0.10

Paso 7. Suponga valores para los tamaños más penetrantes, pMMD y tamaño

de la humareda por golpeteo,MMDr:

pMMD = 2 µm (5.26)

rMMD = 5 µm para cenizas con MMDi > 5 µm (5.27)

rMMD = 3 µm para cenizas con MMDi < 5 µm (5.28)

Donde:

pMMD = el MMD de la distribución de tamaños emergiendo de una zona de

recolección muy eficiente

pMMD = el MMD de la distribución de tamaño del material golpeteado/

reencauzado.

Paso 8. Usar o calcular los siguientes factores para aire puro:

1210845.8 −= xε Permisividad del espacio libre ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

mF (5.29)

71.05

2731072.1 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= − kT

xη Viscosidad del gas ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

smkg

. (5.30)

95

65.1

273000,630 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

kbd T

E Campo eléctrico al chispeo ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

mV (5.31)

Para PES de placa-alambre:

75.1bd

avgE

E = Campo promedio sin polaridad invertida y positiva. (5.32)

75.1*7.0 bd

avgE

E = Campo promedio con corona invertida severa. (5.33)

Para PES de placa plana:

3.6

5*bdavg EE = Campo promedio, sin corona invertida, polaridad

positiva. (5.34)

3.6

5**7.0 bdavg EE = Campo promedio, con corona invertida severa, polaridad

positiva. (5.35)

Paso 9. Suponer el número más pequeño de secciones, n, para el PES, tal que:

nLF < p (5.36)

Los valores sugeridos para n son: Tabla 5.8. Valores de n. Fuente: Environmental Protection Agency.

EFICIENCIA (%) n

< 96.5 2

< 99 3

< 99.8 4

<99.9 5

<99.9 6

96

Estos valores son para un LF de 0.185, correspondiendo a un precipitador de

cenizas flotantes de carbón. Los valores son aproximados, pero los mejores resultados son

para el n más bajo permitido.

Paso 10. Calcular la penetración promedio de la sección, sp

ns pp

1= (5.37)

Paso 11. Calcular la penetración de la sección de recolección, cp

LFLFp

p sc −

−=

1 (5.38)

Si el valor de n es muy pequeño, entonces este valor será negativo y n tendrá

que ser incrementado.

Paso 12. Determinar los factores de cambio de tamaño de partícula, D y

rpMMD , los cuales son constantes utilizadas para computar el cambio del tamaño de

partícula de sección en sección:

DMMD

pSRRMMD

pSRRSpSpD

rcNrp

cNNcNs

)1)(1(

)1)(1()1(

−−==

−−+−+== (5.39)

Paso 13. Realizar una tabla de tamaños de partículas para las secciones 1 hasta

n: Tabla 5 .9.Metodología de cálculo de los MMD


SECCIÓN MMD

1 iMMDMMD =1

2 [ ]{ }

rp

ccpcNMMDD

pMMDpMMDpSMMDMMD ++−+

=*1*)1(*12

3 [ ]{ }

rp

ccpcNMMDD

pMMDpMMDpSMMDMMD ++−+

=*2*)1(*23

.

.

.

n [ ]{ }

rp

ccpcNMMDD

pnMMDpMMDpSnMMDMMDn +−+−+−

=*)1(*)1(*)1(1

97

Paso 14. Calcular el SCA para las secciones 1 a la n, utilizando nMMD ,η , ε ,

avgE y cp :

6

121

10**)ln(

*)1(*−

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

MMDEp

SSCAavg

cNε

η

62 10**)ln(

*)1(*−

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

navg

cNn

MMDEp

SSCAεη (5.40)

Donde el factor 10-6 convierte micras a metros. Note que la última cantidad

que cambia en estas expresiones es MMDn; por lo tanto, puede usarse la siguiente

relación:

11 *

++ =

n

nnn MMD

MMDSCASCA (5.41)

Este procedimiento para determinar tamaño trabaja mejor para valores cp menores

que el valor de LF , lo cual significa el valor más pequeño de n . Cualquier modelo de

PES es sensible a los valores del diámetro de partícula y del campo eléctrico. Este

muestra la misma sensibilidad, pero las expresiones para el campo eléctrico están

basadas en valores teóricos y experimentales. El SCA no debe afectarse fuertemente

por el número de secciones seleccionadas; si se usan más secciones, se reduce el

SCA de cada sección.

Paso 15. Calcular el SCA total de las secciones.

∑=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ n

iiSCA

msSCA

1

(5.42)

Paso 16. Calcular el área de las secciones.

QSCAmA ii *)( 2 = (5.43) Luego, el área total de las secciones viene dado por:

( ) QSCAmAn

ii *

1

2 ∑=

= (5.44)

Donde Q representa el caudal de gases en sm3 .

98

5.2.1.3. Área específica de recolección para precipitadores tubulares

El procedimiento proporcionado anteriormente es adecuado para PES grandes

de placa alambre o de placa plana, pero debe ser usado con restricciones para PES

tubulares. Los valores de SN = 0.015 y RR = 0 son supuestos y solo se utiliza una

sección.

En la tabla 5.10 se proporcionan velocidades de migración que pueden ser

utilizadas con la ecuación 5.42 para calcular SCA para varias aplicaciones de PES

tubulares.

5.2.2 Cálculos de la caída de presión

La caída de presión en un PES se debe a cuatro factores principales:

• Placa difusora (usualmente presente) — (placa perforada a la entrada)

• Transiciones a la entrada y salida del PES

• Deflectores en las placas de recolección (refuerzos) o corrugados

• Resistencia de la placa plana de recolección contra el flujo de gas

La caída de presión total es la suma de las caídas de presión individuales, pero

cualquiera de estas fuentes puede dominar a todas las otras contribuciones de la caída de

presión. Usualmente, la caída de presión no es un factor que rija al diseño, pero necesita

mantenerse en un valor aceptablemente bajo. En la Tabla 5.10 se proporcionan las caídas

de presión típicas para los cuatro factores. La caída de presión del PES, usualmente

menos que cerca de 0.5 in de H2O, es mucho más baja que para el sistema de recolección

asociado y los conductos. Con las velocidades de transporte utilizadas para el polvo

recolectado en los PES, generalmente 4,000 ft/min o mayores, las caídas de presión del

sistema están usualmente en el rango de 2 a 10 in de H2O, dependiendo de la longitud de

los conductos y de la configuración, así como de el(los) tipo(s) de dispositivo(s) de pre-

acondicionamiento utilizado(s) corriente arriba.

Los cuatro factores principales que contribuyen a la caída de presión se

describen brevemente enseguida.

99

La placa difusora es utilizada para igualar el flujo del gas a lo ancho de la cara

del PES. Consiste típicamente de una placa plana cubierta de hoyos redondos de 5 a 7

cm de diámetro (2 a 2.5 in.), teniendo un área abierta de 50 a 65 % del total. La caída de

presión depende fuertemente del por ciento de área abierta, pero es casi independiente

del tamaño de los hoyos.

Tabla 5.10. Componentes de caída de presión del PES Fuente: Environmental Protection Agency.

Caída de Presión Típica

(in. H2O)COMPONENTE Baja Alta

Difusor 0.010 0.09 Transición de entrada 0.07 0.14 Transición de salida 0.007 0.015

Deflectores 0.0006 0.123 Placas de colección 0.0003 0.008

TOTAL 0.09 0.38

La caída de presión debida al agrandamiento gradual en la entrada es causada

por los efectos combinados de la separación del flujo y la fricción en la pared y es

dependiente de la forma del ensanchamiento. En la salida del PES, la caída de presión

causada por una contracción gradual, corta, bien dirigida, es pequeña.

Los deflectores están instalados sobre las placas de recolección para escudar

al polvo recolectado del flujo del gas y proporcionar un efecto reforzador para mantener las

placas alineadas paralelas una a la otra. La caída de presión debida a los deflectores

depende del número de deflectores, de su protuberancia en la corriente del gas con

respecto a la distancia electrodo-aplaca y a la velocidad del gas en el PES.

La caída de presión de las placas planas de recolección se debe a la fricción

del gas arrastrándose a lo largo de las superficies planas y es tan pequeña comparada

con otros factores que usualmente puede ser despreciada en problemas de ingeniería.

100

5.2.3. Características de la partícula

Varias características de la partícula son importantes para la recolección de la

partícula. Se supone generalmente que las partículas son esféricas o suficientemente esféricas

para ser descritas por algún diámetro esférico equivalente. Las partículas altamente

irregulares o alargadas pueden no comportarse en formas que puedan ser fácilmente

descritas.

La primera característica importante es la masa de las partículas en la

corriente de gas. Esta cantidad usualmente se determina colocando un filtro en la

corriente de gas, recolectando un volumen conocido de gas y determinando la

ganancia en peso del filtro. Debido a que el PES opera en un amplio rango de cargas

como un dispositivo de eficiencia constante, la carga a la entrada determinará directamente

la carga a la salida. Si la carga se vuelve muy alta, la operación del PES se alterará,

usualmente para empeorar.

La segunda característica es la distribución del tamaño de las partículas, con

frecuencia expresada como la masa acumulada por debajo de un tamaño de partícula

dado. La distribución de tamaño describe cuantas partículas hay de un tamaño dado,

lo cual es importante porque la eficiencia del PES varía con el tamaño de partícula.

En términos prácticos, un PES recolectará todas las partículas de diámetro mayor a 10

µm, mejor que las menores a 10 µm. Solo si la mayor parte de la masa en las partículas está

concentrada por arriba de 10 µm, sería necesaria la distribución real de partículas por arriba

de 10 µm.

En lugar de las distribuciones acumuladas de la masa, la distribución de

tamaño es frecuentemente descrita por parámetros log-normal. Esto es, la distribución

de tamaño parece como una curva normal probabilística si el logaritmo del tamaño de

partícula usado es la abscisa. Los dos parámetros necesarios para describir una distribución

log-normal son el diámetro másico mediano (o medio) y la desviación geométrica

normal.

El MMD es el diámetro para el cual, una mitad de la masa de particulados

consiste de partículas más chicas y la otra mitad es más grande (vea el Procedimiento,

Paso 5, de la subsección 5.2.1.2). Si el MMD de una distribución es mayor de cerca

101

de 3 µm, el PES recolectará todas las partículas mayores que el MMD, al menos tan

bien como una partícula de 3 µm, representando la mitad de la masa en la distribución

de tamaño de entrada.

La desviación geométrica normal es el equivalente de la desviación normal de la

distribución normal. Describe que tan amplia es la distribución de tamaño. La

desviación geométrica normal se computa como la relación del diámetro

correspondiente al 84 por ciento del total de la masa acumulada al MMD; siempre es

un número mayor a 1. Una distribución con todas las partículas del mismo tamaño

(mono-dispersas), tiene una desviación geométrica normal de 1. Una desviación geométrica

normal menor a 2, representa en cambio una distribución estrecha. Para fuentes de

combustión, las desviaciones geométricas normales varían de 3 a 5 y están

comúnmente en el rango de 3.5 a 4.5.

Una desviación geométrica normal de 4 a 5, acoplada con un MMD de menos de 5

µm, significa que hay una cantidad sustancial de material sub-micrométrico. Esta situación

puede cambiar las condiciones eléctricas de un PES por el fenómeno conocido como

“apagamiento de la carga espacial”, el cual resulta en voltajes de operación altos pero

corrientes bajas. Es señal de carga inadecuada y reduce la eficiencia del PES. Esta condición

puede ser evaluada cuidadosamente para asegurar márgenes de diseño adecuados.

5.2.4. Características del gas.

Las características del gas más necesarias para el diseño del PES son el flujo

volumétrico del gas y la temperatura del gas. El flujo volumétrico, multiplicado por el

SCA de diseño, da el área total de placa requerida por el PES. Si el flujo volumétrico

es conocido a una temperatura, puede ser conocido a otra temperatura aplicando la

ley del gas ideal. Las incertidumbres en temperatura y volumen compensarán las

inexactitudes de la aplicación de la ley del gas ideal.

La temperatura del gas afecta directamente a la viscosidad del gas, la cual se

incrementa con la temperatura. La viscosidad del gas se afecta en menor grado por la

composición el gas, particularmente por el contenido de vapor de agua. En lugar de

los valores de viscosidad para una composición particular del gas, puede usarse la

102

viscosidad del aire. La viscosidad entra en los cálculos del SCA directamente, tal

como se observa en el Paso 14 del procedimiento de diseño.

La temperatura y composición del gas tiene un efecto fuerte en la resistividad

del material particulado recolectado. Específicamente, la humedad y los componentes

ácidos en el gas, pueden ser absorbidos por las partículas en cantidad suficiente para

bajar la resistividad intrínseca dramáticamente (órdenes de magnitud). Para otros

tipos de materiales, casi no hay efecto. Aunque no es posible tratar la resistividad

aquí, el diseñador debe estar consciente de la sensibilidad potencial del tamaño del

PES a la resistividad y a los factores que la influyen.

La selección del tamaño de la fuente de poder (capacidad de corriente y

voltaje), a ser utilizada con una aplicación particular puede ser influida por las

características del gas. Ciertas aplicaciones producen gas cuya densidad puede diferir

significativamente de las típicas fuentes de combustión (la variación de la densidad

puede resultar a partir de la temperatura, la presión y la composición). La densidad

del gas afecta los voltajes de iniciación de la corona y los voltajes a los cuales ocurre

el centelleo.

5.2.5. Limpieza

La limpieza de los materiales recolectados de las placas frecuentemente es

acompañada, intermitente o continuamente, de golpeteo severo de las placas con martillos

automáticos o pistones, usualmente a lo largo de los bordes superiores, excepto en el caso del

PES húmedo que utiliza agua. El golpeteo desprende al material, el cual cae a lo largo

de la placa hasta que se asienta en una tolva para polvo. Las características del polvo, la

intensidad del golpeteo y la frecuencia del golpeteo, determinan que tanto material es

reencauzado y que tanto llega a la tolva permanentemente

Para PES húmedos, debe considerarse el manejo de aguas residuales. Para

sistemas simples con polvos inocuos, el agua con partículas recolectadas por el PES

puede descargarse del sistema del PES a un clarificador removedor de sólidos (ya sea

dedicado al PES o parte del sistema de tratamiento de aguas residuales de la planta), y

de ahí a disposición final. Los sistemas más complejos pueden requerir remoción de

103

la capa flotante y de lodos, clarificación en equipo dedicado, ajuste de pH y/o

tratamiento para remover los sólidos disueltos. El agua atomizada del pre-

acondicionador del PES puede tratarse separadamente del agua utilizada para inundar

las placas recolectoras del PES, de modo que la más limpia de las dos aguas pueda

regresarse al PES. La recirculación del agua tratada al PES puede aproximarse al 100

por ciento.

La tolva debe diseñarse de modo que todo el material en ella se deslice hasta

el mero fondo, donde puede ser evacuado periódicamente, a medida que la tolva se

llena. El polvo es removido a través de una válvula hacia un sistema de manejo de polvo, tal

como un transportador neumático. Las tolvas son con frecuencia suministradas con calor

auxiliar para prevenir la formación de grumos o plasta y la obstrucción subsecuente del

sistema de manejo de polvo.

5.2.6. Características de construcción

El uso del término “geometría de placa-alambre” puede ser algo confuso.

Puede referirse a tres tipos diferentes de electrodos de descarga: alambres con pesas

colgadas de una estructura de soporte en la tapa del PES, marcos de alambre en los cuales

los alambres están ensartados tensamente en un marco rígido de soporte, o electrodos

rígidos construidos de una sola pieza de metal. En años recientes, ha habido una tendencia

a utilizar marcos de alambre o electrodos de descarga rígidos en lugar de electrodos de

descarga de alambres con pesas (particularmente en aplicaciones de calderas que queman

carbón). Esta tendencia ha sido estimulada por el deseo del usuario de incrementar la

confiabilidad del PES. Los marcos de alambre y los electrodos rígidos son menos

propensos a fallas por rompimiento y son fácilmente limpiables con equipo de

limpieza del tipo por impulso.

Otras diferencias en construcción resultan de la selección de la relación del

ancho del pasaje de gas (línea de flujo), o del espaciamiento del electrodo de descarga

al electrodo de recolección. Típicamente, el espaciamiento del electrodo de descarga

al de recolección varía de 20 a 30 cm(según la EPA). El tener gran espaciamiento

entre los electrodos de descarga y de recolección, permite que se utilicen campos eléctricos

104

mayores, lo cual tiende a mejorar la recolección de polvo. Para generar campos eléctricos

más grandes, sin embargo, las fuentes de poder deben producir voltajes de operación

más altos. Por lo tanto, es necesario balancear los ahorros en costos logrados con

mayores espaciamientos entre electrodos, contra los costos más altos de las fuentes de

poder que producen voltajes de operación más altos.

La mayoría de los PES son construidos de acero mediano. Las corazas de los

PES son construidas típicamente de placas de acero mediano de 3/16 a 1/4 de

pulgada. Los electrodos de recolección son generalmente fabricados de acero mediano de

menor calibre. Un espesor de calibre 18 pulgadas es común, pero variará con el tamaño y

severidad de la aplicación (según EPA).

Los alambres de los electrodos de descarga vienen en varias formas desde

redondas hasta cuadradas o con púas. Un diámetro de 2.5 mm (0.1 in.), es común para

alambres con pesas, pero otras formas utilizadas tienen diámetros efectivos mucho

mayores, (electrodos cuadrados de 64 mm (0.25 in)) (según EPA).

Puede utilizarse acero inoxidable para aplicaciones corrosivas, pero es raro

excepto en PES húmedos. Se ha encontrado que los electrodos de descarga de acero

inoxidable son propensos a falla por fatiga en PES secos con sistemas de limpieza de

electrodos del tipo por impacto.

Los precipitadores utilizados para recolectar rocío de ácido sulfúrico en

plantas de ácido sulfúrico, son construidos de acero, pero las superficies en contacto

con el rocío del ácido están recubiertas de plomo. Los precipitadores utilizados en las

calderas de recuperación de licor negro en las plantas de papel, tienen envolvente de

vapor. De estos dos, las calderas de recuperación tienen con mucho el mayor número

de aplicaciones de PES.

105

CAPITULO VI

ESTUDIO TÉCNICO (FORMULACIÓN Y CÁLCULOS)

6.1. Generalidades.

En este capítulo se establecerán los parámetros y condiciones necesarios para

realizar las estimaciones técnicas en concordancia a los requerimientos de la empresa,

dentro de estos están incluidos las variables de operación, así como también el

análisis de las diversas opciones para la colocación de los PES y su adecuación al

espacio físico disponible. Para mas detalle ver anexo Nº 1.

6.2. Selección del tipo de PES a instalar.

Actualmente se construyen precipitadores electrostáticos atendiendo una serie

de especificaciones de acuerdo a las condiciones de operación de la fuente emisora de

gases, tales como caudal manejado, temperatura, presión y características físico-

químicas del flujo y del medio ambiente. Esta última condición determina el material

con el cual debe ser construido. Para esta aplicación se selecciona el acero inoxidable

para la construcción de la carcaza, mientras que se elige acero mediano para los

electrodos de descarga y placas recolectoras (según manual EPA).

Atendiendo a dichos parámetros se escogió el PES óptimo, en este caso el de

placa-alambre de tipo en seco.

6.2.1. Descripción del PES tipo placa-alambre en seco.

- Contaminantes Aplicables: Materia Particulada (PM), que incluye materia

particulada menor o igual a 10 micras (μm) de diámetro aerodinámico (PM10), materia

particulada menor o igual a 2,5 micras de diámetro aerodinámico (PM2,5), y

contaminantes peligrosos del aire (CPA) que existen en forma particulada, tales como

la mayoría de los metales (el mercurio es la excepción notable, ya que una porción

importante de las emisiones se encuentran en forma de vapor elemental).

106

Las eficiencias típicas de equipos nuevos varían entre 99 y 99.9%. Los

equipos existentes más antiguos tienen un rango de eficiencia de operación de 90 a

99.9%. Aunque son varios los factores que determinan la eficiencia de recolección de

los PES, el más importante es el tamaño del PES. El tamaño determina el tiempo de

tratamiento pues entre más tiempo permanezca una partícula en el PES, es más

probable que ésta sea atrapada.

Los PES de este tipo manejan emisiones que poseen ciertas características

específicas para garantizar una mayor eficiencia, tales características son resumidas a

continuación:

Características de las Emisiones:

- Flujo de Aire: Los flujos de aire típicos para los PES tipo placa-alambre

varían de 100 a 500 metros cúbicos por segundo (m3/s) (200.000 a 1.000.000 pies

cúbicos por minuto (cfm)). La mayoría de los PES del tipo con placas más pequeñas

(50 m3/s a 100 m3/s, o 100.000 a 200.000 cfm) usan placas planas en vez de alambres

para los electrodos de alto voltaje.

- Temperatura: Los PES tipo placa-alambre pueden operar a temperaturas

muy altas, hasta los 700°C (1300°F). La temperatura de operación del gas y la

composición química del polvo son factores claves que influyen la resistividad del

polvo y deben ser consideradas cuidadosamente en el diseño de un PES.

- Carga de Contaminante: Las concentraciones típicas a la entrada de un PES

tipo placa-alambre son de 2 a 110 g/m3. Es común darle un pre-tratamiento a la

corriente residual, normalmente con un colector mecánico o ciclón, para bajar la

carga del contaminante a este rango. Los flujos altamente tóxicos con

concentraciones menores de 1 g/m 3 también son controlados por este tipo de PES

- Otras Consideraciones: En general, los PES operan más eficientemente con

resistividades de polvo entre 5 x 103 y 2 x 1010 ohm-cm; las partículas más difíciles

de recolectar son aquellas con diámetros aerodinámicos entre 0,1 y 1,0 mm. Las

partículas entre 0,2 y 0,4 μm por lo general presentan la mayor penetración.

En un PES de tipo tubo-alambre, el gas emitido fluye horizontalmente y

paralelo a las placas verticales de metal en hoja. El espacio entre las placas varía

107

típicamente entre 19 y 60 cm. Los electrodos de alto voltaje son alambres largos con

pesas en su extremo inferior, y están colgados entre las placas. Algunos diseños

posteriores utilizan electrodos rígidos (tubos huecos de aproximadamente 25 a 40 mm

de diámetro) en vez de alambre.

Las fuentes de energía para el PES convierten el voltaje AC industrial (220 a

480 V) a voltaje DC pulsante en el rango de 20.000 a 100.000 voltios según sea

necesario. El voltaje aplicado a los electrodos causa que el gas entre los electrodos se

descomponga eléctricamente, un acto conocido como una “corona.” Se suele impartir

una polaridad negativa a los electrodos porque una corona negativa tolera un voltaje

más alto antes de producir chispa que una corona positiva. Los iones generados en la

corona siguen las líneas del campo eléctrico desde el electrodo hasta las superficies

colectoras. Por lo tanto, cada combinación de tubo y electrodo establece una zona de

carga a través de la cual deben pasar las partículas. Puesto que las partículas mayores

(>10 μm de diámetro) absorben varias veces más iones que las menores (>1 μm de

diámetro), las fuerzas eléctricas son mucho más fuertes en las partículas mayores.

Ciertos tipos de pérdidas afectan la eficiencia de control. El martilleo que desprende

la capa acumulada también proyecta algunas de las partículas hacia la corriente de

gas. Estas partículas reencauzadas son a su vez procesadas de nuevo por secciones

posteriores, pero las partículas reencauzadas en la última sección del PE no tienen la

oportunidad de ser recapturadas y de esa manera escapan de la unidad.

Los PES del tipo tubo-alambre, debido a que actúan únicamente sobre el

particulado por eliminar, y sólo impiden el flujo de la corriente de gas de manera

mínima, producen caídas de presión muy pequeñas (típicamente menores de 13 mm

(0,5 pulg. de H2O). Como resultado, los requisitos energéticos y los costos de

operación tienden a ser bajos.

Son capaces de alcanzar eficiencias muy altas, aún con partículas muy

pequeñas y pueden ser diseñados para un rango amplio de temperaturas de gases,

manejando temperaturas altas, hasta los 700°C (1300°F).

108

Los PES de este tipo son capaces de operar bajo presiones altas (hasta 1.030

kPa (150 psi)) o condiciones de vacío y manejan velocidades de flujo relativamente

grandes de manera efectiva.

La recolección y eliminación del residuo en seco permite una manipulación

más sencilla de los mismos.

6.2.2. Cálculo de los parámetros de diseño de las placas colectoras.

En este capítulo se determinarán los parámetros de diseño de las placas

colectoras del precipitador electrostático mediante la metodología propuesta por la

EPA.

6.2.3. Cálculo de la eficiencia del precipitador.

En primer lugar se procede a calcular la eficiencia del precipitador

electrostático si tenemos la carga de salida y la carga de entrada mediante la ecuación

5.25:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

adeentradacadesalidacEff

argarg1*100(%)

Si no tenemos dicha información procedemos eligiendo la eficiencia deseada

y obtener los parámetros que corresponden esa elección.

Debido a la naturaleza del estudio no tenemos las condiciones del flujo a la

salida del precipitador, por lo tanto elegimos el valor de 99.9 % porque pretendemos

que la eficiencia del separador sea máxima.

6.2.4. Cálculo de la penetración a partir de la eficiencia elegida.

Usando la ecuación 5.18 para una eficiencia de 99.5 %

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=100

1 Effp = 005.0100

5.991 =−

109

6.2.5. Determinación de la presencia del efecto corona invertida.

El efecto corona invertida está presente si las partículas presentes en el gas poseen

resistividades superiores a 2*1011ohm-cm).

Para las partículas generadas en la combustión de fuel oil la resistividad es de 1010

ohm-cm (según manual Mitsubishi Heavy industries) por lo tanto no hay presencia de

corona invertida.

De la relación (5.26): pMMD = 2 µm

De la relación (5.27): rMMD = 5 µm para cenizas con MMDi > 5 µm

6.2.6 Cálculo del factor de pérdida (LF)

Considerando los valores siguientes:

Factor de escabullimiento ( NS ) =0.07 (de acuerdo a la tabla 5.6, PES tipo placa-

alambre)

Factor de reencauzamiento por golpeteo (RR) =0.124 (de acuerdo a la tabla 5.7 por el

tipo de ceniza)

Con la ecuación (5.22) se calcula el valor del factor de pérdida LF

( )NN SRRSLF −+= 1

LF = 0.07 +0.124 (1-0.07) =0.18532

6.2.7. Número de secciones del precipitador (n).

A partir de la tabla 5.8., se debe cumplir la relación (5.36), nLF < p para el valor de

n escogido.

Se escoge n=4 para que cumpla con la condición nLF < p .

005.0001179.018532.0 4 <==nLF

110

6.2.8. Cálculo de la penetración promedio de la sección ( sp )

Utilizando la ecuación (5.37) se obtiene:

ns pp

1= =0.005 1/4=0.2659

6.2.9. Cálculo de la penetración de la sección de recolección ( cp ).

A partir de la ecuación (5.38) se obtiene:

0989.01853.01

1853.02659.01

=−

−=

−−

=LFLFp

p sc

6.2.10. Cálculo de los MMD de las partículas a través del PES.

A partir de la ecuación (5.39) se calcula:

spD =

( ) 9540.12659.05*)0989.01(07.01124.0)1)(1( =−−=−−=

DMMD

pSRRMMD rcNrp

El diámetro de la partícula de fuel oil Nº 6 está estimado en 10 µm por ser

considerado PM10 (material particulado de 10 mμ de diámetro).

Considerando lo anteriormente dicho: iMMDMMD =1 =10 µm y utilizando la

metodología planteada en la tabla 5.9 se tienen los valores de los MMD para las

secciones restantes:

[ ]{ }rp

ccpcN MMDD

pMMDpMMDpSMMDMMD +

+−+=

*1*)1(*12

( )( ) mmmm μμμμ 6247.59540.12659.0

0989.0*)10)(0989.0(2*0989.0107.0*10=+

+−+

[ ]{ }rp

ccpcN MMDD

pMMDpMMDpSMMDMMD +

+−+=

*2*)1(*23

( )( ) mmmm μμμμ 3119,49540.12659.0

0989.0*)6247.5)(0989.0(2*0989.0107.0*6247.5=+

+−+

111

[ ]{ }rp

ccpcN MMDD

pMMDpMMDpSMMDMMD +

+−+=

*3*)1(*34

( )( ) mmmm μμμμ 9180,39540.12659.0

0989.0*)3119.4)(0989.0(2*0989.0107.0*3119.4=+

+−+

6.2.11. Cálculo de las áreas específicas de las secciones colectoras (SCA)

Considerando el gas de escape como aire puro podemos considerar lo siguiente:

Sustituyendo el valor la temperatura del gas Tk= 423.7 K en las siguientes expresiones:

A partir de la ecuación (5.31): 8.0

15.42315.273*000.630 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=bdE ⇒ bdE =4.43*105 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

mV

Se calcula el campo promedio, sin corona invertida, polaridad positiva correspondiente

al PES de placa-alambre usando la ecuación (5.32):

75.1bd

avgE

E =

55

10*5314.275.1

10*43.4==avgE

De la ecuación (5.30) se obtiene: 71.0

5

2737.4231072.1 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= −xη ⇒ η = 2.3468999546*10 -5

Y con el valor constante de 1210845.8 −= xε dado en la relación (5.29), se calculan las

áreas específicas de recolección:

61

2)

1 10**

ln(*)1(*

−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

MMDE

pSSCA

avg

cNε

η

( ) ( )( ) m

sSCA 9095.810*10*10*5314.2

0989.0ln*07.01*10*845.8

10*3468999546.262512

5

1 =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

−

112

62

2)

2 10**

ln(*)1(*

−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

MMDE

pSSCA

avg

cNε

η

( ) ( )( ) m

sSCA 8400.1510*6247.5*10*5314.2

0989.0ln*07.01*10*845.8

10*3468999546.262512

5

2 =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

−

63

2)

3 10**

ln(*)1(*

−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

MMDE

pSSCA

avg

cNε

η

( ) ( )( ) m

sSCA 6626.2010*3119.4*10*5314.2

0989.0ln*07.01*10*845.8

10*3468999546.262512

5

3 =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

−

64

2)

4 10**

ln(*)1(*

−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

MMDE

pSSCA

avg

cNε

η

( ) ( )( ) m

sSCA 7400,2210*9180,3*10*5314.2

0989.0ln*07.01*10*845.8

10*3468999546.262512

5

4 =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−

−

6.2.13. Cálculo del área por sección de las placas colectoras

gasesn QSCAA *=

smQgases

36138.427=

Luego:

gasesQSCAA *11 =

8258.38096138.427*9095,83

1 == sm

msA m2

gasesQSCAA *22 =

4118.67736138.427*8400.153

2 == sm

msA m2

113

gasesQSCAA *33 =

6431.88356138.427*6626.203

3 == sm

msA m2

gasesQSCAA *44 =

9432.97236138.427*7400.223

4 == sm

msA m2

8239.298429432.97236431.88354118,67738258.3809 2222 =+++= mmmmAt m2

6.3 Cálculo de las dimensiones totales del precipitador.

Estos cálculos se llevaron a cabo considerando las limitaciones que, en cuanto

a espacio físico, se tienen en la planta. La dimensión de placa, factor determinante en

el tamaño total del PES, se realizó fijando la longitud de base acorde con la

disposición de espacio y aprovechando al máximo la elevación debido a que esta

ultima carece de restricciones.

6.3.1. Cálculo de dimensiones de la placa.

El espacio disponible para la instalación de los PES actualmente corresponde

al sector ocupado por los almacenes principales y la avenida principal del C.G.R.Z el

cual tiene dimensiones de 80 m. de largo por 45 m. de ancho, para un área total de

3600 m2. Para mayor detalle ver anexo Nº 2. A partir de esto y considerando dos

precipitadores para las unidades 7 y 8 se tomo una longitud de base para la placa de

10 m. y 40 m. de altura, obteniendo así un área de 400 m2. De esta manera se procede

a calcular el número de placas de acuerdo al área específica de colección obtenida

previamente de acuerdo a las condiciones de funcionamiento de la unidad generadora.

6.3.2. Cálculo del número de placas

El número total de placas por sección se calcula considerando sus respectivas

áreas calculadas en la sección 5.10 que serán distribuidas en placas de 400 2m ,

sobredimensionando y aprovechando esto como factor de seguridad:

114

Para la sección 1

El área calculada es de 3809 2m , aplicando la metodología descrita

anteriormente y sobredimensionando se tiene que:

10 caras * 400 2m =4000 2m , que corresponden a un total de 6 placas y 5

pasajes.

Para la sección 2



17 caras * 400 2m =6800 2m que corresponden a un total de 9 placas y 9

pasajes.

Para la sección 3




pasajes.

Para la sección 4




pasajes.

6.3.3. Cálculo de la longitud de fondo del PES

De acuerdo al espacio disponible y considerando el área de la placa calculada

previamente se tomó como base la longitud de 10 m., de tal manera que al

multiplicar ésta por el numero de secciones, se determine la medida necesaria de

acuerdo al espacio físico aprovechable; a esto agregamos las distancias

correspondientes a las transiciones de entrada y salida y seccionadores lo cual

aproximaremos a 10 m adicionales.

115

Longitud de fondo = ( ) mmSeccionesN 10.10*º +

Longitud de fondo = ( ) 5010.10*4 =+ mm m.

Fig. 6.1. Dimensiones de la placa recolectora.


6.3.4. Cálculo del ancho del precipitador

Para determinar el ancho del precipitador nos referiremos a las dimensiones

del espaciamiento entre placas colectoras, pero es de considerar el agregar

aproximadamente 10 metros adicionales para espacio entre carcaza y espesor de

placas así como también el sistema de limpieza por golpeteo. El espacio entre placas

esta estandarizado a 600 mm, considerando el campo eléctrico aplicado de 60 kv.

Luego el ancho total del precipitador será aproximadamente la multiplicación del

número de pasajes entre placas por el espacio nombrado. Tomaremos como

referencia los pasajes de la última sección, por ser la que tiene más y necesita mas

espacio.

=Anchototal 400.201060014 =+∗ mm m

10 m

40 m

116

Fig. 6.2. Distancia entre placas

Fuente: Elaboración Propia

6.3.5. Altura del precipitador

Esta dimensión no representa una limitación ya que se dispone de libre

espacio aéreo para la elevación de PES. No obstante, las dimensiones son bastante

conservadoras considerando el gran tamaño que en general presentan estos

dispositivos, en este caso la altura dependerá de dos factores: la altura de la placa

colectora en mayor proporción y del soporte base que debe estar adecuado a las

dimensiones de la tolva de descarga.

6.4. Cantidad de material recolectado en las placas del PES.

Ecuación de fracción de masa recolectada

( ) ( )[ ]´

0

(111 QpxSSpmm

cNNs −−−=−= (6.1)

Donde:

0m

m = fracción masa recolectada de la corriente de gas

Sabiendo que: hkgm partículas 8.140

.=

Conociendo la penetración promedio es 2659.0=sp . Con la relación (6.1), podemos decir que:

117

7341.02659.0100

=⇒−=mm

mm

Luego la masa de partículas recolectadas en las tolvas se calcula de la manera

siguiente:

hKgmm 3612.1037341.0*0 == .

Esta masa corresponde a la cantidad recolectada en una hora.

Entonces en un día: Kghm 6707.2480hKg103.3612*24 == =2.7344 ton

Mensualmente: 2480.6707 Kg *31 días= 76900.7917 Kg = 84.7686 ton

Anualmente: 84.7686*12=1017.2233 ton .

Si consideramos las tres unidades y asumiendo que los flujos másicos son

iguales, la cantidad total de material particulado recolectado es:

Diariamente: 2.7896 ton *3=8.3688 ton

Mensualmente: 8.3688 ton *31=259.4328 ton

Anualmente: 259.4328 ton *12=3113.1936 ton

El sistema para disponer del material particulado consta de una serie de tolvas

que son vaciadas mediante un sistema transportador que impide el contacto del ser

humano con el desecho, ya que este último es considerado de alta toxicidad. Este

material es depositado en sacos de alta densidad y trasladado al espacio debidamente

permisado, en este caso el galpón Nº 7 ubicado en un terreno cercano a la planta.

Para mayor detalle del galpón ver anexo Nº 4.

118

6.5. Impacto producido por la instalación de los PES en el tiro del circuito Aire-

gas.

Para realizar la evaluación de este aspecto este se tomaron en cuenta las

condiciones extremas de operación de las unidades de la planta, es decir, operando a

40 % como la mas baja y 105 % como la mas alta. El flujo volumétrico máximo que

maneja la caldera es de 427 sm3 .

Carga 105% 40% Flujo gas ( t/h)

Entrada del economizador. 1607 1013 Entrada precalentador. 1401 745 Salida precalentador. 1497 807

Presión aire (mmH2O) Entrada ventilador tiro

forzado -47 18 Salida ventilador tiro forzado. 658 348

Entrada precalentador. 598 328 Salida precalentador 528 303 Caja de quemadores. 479 290

Presión gas (mmH2O) Hogar 309 120

Entrada precalentador 115 45 Salida precalentador 20 10

Temperatura Gas (º C) Salida precalentador 150 136

Temperatura Ambiente 30 30

Tabla 6.1. Características de operación de la Planta Ampliación Tacoa. Fuente: Manual de unidad de Ampliación Tacoa. Mitsubishi Heavy industries.

Se calculó el tiro de la chimenea en las actuales condiciones (sin instalar el

PES) para saber con certeza cuanto tiro es capaz de producir con la finalidad de

evacuar los gases de escape. Se siguió la metodología de BABCOCK & WILCOX.,

sus tablas y recomendaciones. Las figuras 6.2 y 6.3 muestran los circuitos aire – gas

combustible antes de la instalación del precipitador, para carga de 105 % y 40 %

respectivamente.

119

Tiro del circuito aire-combustible (105%)

0

-47

658

479

309

115

200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Componentes del circuito

Pres

ión

mm

H2O

Fig. 6.2. Tiro del circuito aire – combustible a 105% (Actual)


Leyenda:

1. Entrada al ventilador de tiro forzado.

2. Salida del ventilador de tiro forzado.

3. Quemadores.

4. Hogar de la caldera.

5. Entrada al precalentador.

6. Salida del precalentador y entrada a la chimenea.

7. Salida de la chimenea.

120


0-18

348

290

120

45

100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8


Pres

ión

mm

H2O

Fig. 6.3. Tiro del circuito aire – combustible a 40% (Actual)


Leyenda:



3. Quemadores.



6. Salida del precalentador y entrada a la chimenea.

7. Salida de la chimenea.

121

En la tabla 6.1 y 6.3 se muestran los datos utilizados para llevar a cabo los

cálculos.

Chimenea

Altura (m) 120

Diámetro (m) 7,921

Tabla 6.3. Dimensiones de la chimenea Fuente: Elaboración propia

6.5.1 Calculo de tiro producido por la chimenea.

Cálculo de la pérdida por fricción en la chimenea.

Mediante la ecuación (3.6), descrita en el capítulo 3:

Pérdida de fricción en la chimenea= ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ 1100000

0942,02

4ii

g

DfLW

DT

Donde Tg= temperatura promedio del gas. (R)

Di=diámetro interno de la chimenea. (ft)

W=flujo másico del gas. (Lb/h)

f=coeficiente de fricción.

L=altura de la chimenea. (ft)

Para una carga de 40 %.

1. Cálculo de la temperatura promedio del gas (Tg)

Temperatura de entrada a la chimenea = 136 º C = 276,8 º F.

De acuerdo a la figura 6.5 y extrapolando, ya que la chimenea en estudio

sobrepasa los límites del gráfico, obtenemos la temperatura de salida de la chimenea.

Temperatura de salida de la chimenea = 121,11 º C = 250 º F.

122

Sustituyendo estos valores en la ecuación (3.5), resulta:

RFCCCTT gprom º06,723º39,263º55,1282

º11.121º136===

+==

Fig. 6.5. Relación entre la temperatura de salida

del gas de la chimenea y sus dimensiones. Fuente: Steam (it´s generation & use) Babcock & Wilcox

123

2. Cálculo del tiro de la chimenea.

De acuerdo a la ecuación (3.4), del capítulo 3, tenemos que:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

ga TTLpCT 1152,0.

Donde L=longitud de la chimenea = 344,48 ft.

ρa= densidad del aire a temperatura ambiente. (lb/ft3) valor escogido de

la tabla 6.3= 0,0730 lb/ft3.

ρg= densidad del gas. (lb/ft3),

Tabla 6.3.Volumen y peso específico del aire

Fuente: Steam (it´s generation & use) Babcock & Wilcox

Ta=temperatura del aire. (ºR) = 30 º C = 545,67 º R.

Tg=temperatura del gas. (ºR) =723,06

p= presión atmosférica (psi) = 14,659

124

A partir de la ecuación (3.6):

( ) =⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=

06,7231

67,5451)695,14(48,344.52,0.CT 1,183 in H2O = 30,06 mm H2O.

3. Cálculo de la densidad del gas

De la ecuación (3.3), capitulo 3, se resuelve para obtener ρg

LTC

ag 192,0−= ρρ

Sustituyendo para gρ se tiene que:

( )48,344192,0183,10730,0 −=gρ = 5,51 x 10-2 lb/pie3 = 0,882 kg/m3.

4. Cálculo del flujo másico.

gQW ρ.= (6.2)

Donde Q=caudal (m3/s) = 427,61

ρg=densidad del gas (kg/m3).= 0,882

W=flujo másico (kg/s).

( )( )882,061,427=W = 377,15 kg/s = 2993320,34 lb/h.

5. Cálculo del número de Reynolds (para flujo turbulento).

ig DTW.20000Re = (6.3)

Donde: W=flujo másico (lb/h.)= 2993320,34

Tg=temperatura del gas (ºR).= 723, 06

Di=diámetro interno de la chimenea (ft).= 25,229

Sustituyendo en (6.3):

( )( )229,2506,723

34,2993320.20000Re = = 3281775,12

De acuerdo a la figura 6.6, con el número de Reynolds conseguimos el

coeficiente de fricción (f).

0155,0=f

125

Fig. 6.6. Factor de fricción en relación al número de

Reynolds y el diámetro de la chimenea Fuente: Steam (it´s generation & use) Babcock & Wilcox

Sustituyendo los resultados obtenidos en la ecuación (3.6), resulta:

Perdida por fricción en la chim. = ( )

( )⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ 1

229,2548,344015,0

10000034,2993320

229,2506,7230942,0

2

4

Perdida por fricción en la chimenea = 0,1814 in H2O = 4,60 mm H2O.

6 .Cálculo del tiro total en la chimenea.

Tiro total de la chimenea = 30,06 – 4,60 = 25,46 mm H2O.

Para una carga de 105 %.

1. Temperatura promedio del gas. Tg

Temperatura de entrada a la chimenea = 150 º C. = 302 º F.

De acuerdo a la figura 6.5 y extrapolando, ya que la chimenea en estudio

sobrepasa los límites del gráfico, obtenemos la temperatura de salida de la chimenea.

Temperatura de salida de la chimenea = 137,77 º F = 280 º F.

126

Aplicando la ecuación (3.5)

RFCCCTT gprom º65,750º98,290º88,1432

º77,137º150===

+==

2. Cálculo del tiro de la chimenea.

Utilizando la ecuación (3.4)

Donde: L=longitud de la chimenea = 344,48 pies.

ρa= densidad del aire a temperatura ambiente. (lb/pie3) valor escogido

de la tabla 6.3= 0,0730 lb/pie3.

Ta=temperatura del aire. (ºR) = 30 º C = 545,67 º R.

Tg=temperatura del gas. (ºR) =750,65

p= presión atmosférica (psi) = 14,659

( ) =⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=

65,7501

67,5451)695,14(48,344.52,0.CT 1,317 in H2O = 33,46 mm H2O.

3. Cálculo de la densidad del gas.

A partir de la ecuación (3.3):

( )48,344192,0317,10730,0 −=gρ = 5,30 x 10-2 lb/pie3 = 0,850 kg/m3.

4. Cálculo del flujo másico.

gQW ρ.= (6.2)

Donde Q=caudal (m3/s) = 427,61

ρg=densidad del gas (kg/m3).= 0,850

W=flujo másico (kg/s).

( )( )850,061,427=W = 363,47 kg/s = 2884356 lb/h.

127

5. Cálculo del número de Reynolds (para flujo turbulento).

A partir de la ecuación (6.3) se obtiene el Re, que luego será utilizado para

calcular el factor de fricción

Donde: W=flujo másico (lb/h.)= 2993320,34

Tg=temperatura del gas (ºR).= 750,65

Di=diámetro interno de la chimenea (pies).= 25,229

( )( )229,2565,7502884356.20000Re = = 3046007,74

De acuerdo a la figura 6.7 con el número de Reynolds conseguimos el

coeficiente de fricción (f).

016,0=f

Tabla 6.7. Factor de fricción en relación al número de

Reynolds y el diámetro de la chimenea Fuente: Steam (it´s generation & use) Babcock & Wilcox

Luego sustituyendo finalmente en la ecuación (3.6) se tiene que:

128

Perdida por fricción en la chim.= ( )

( )⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ 1

229,2548,344016,0

1000002884356

229,2565,7500942,0

2

4

Perdida por fricción en la chimenea = 0,1769 in H2O = 4,49 mm H2O.

Lo que permite calcular el tiro de la chimenea:

6. Tiro total de la chimenea = 33,46 – 4,49 = 28,97 mm H2O.

6.5.2. Cálculos de las pérdidas de tiro debido al sistema del precipitador

6.5.2.1. Con carga máxima (105 %).

Unidad 9.

Precalentador a PES.

Longitud del ducto = 50 m.

Codos = 2 de 90º. Perdidas igual a 1,27 mm H2O por cada uno.

Presión del gas = 20 mm H2O.

Velocidad del gas = 15 m/s.

Coeficiente fricción = 0,014 (para circulación de gas sobre acero).

Densidad del gas =0,850 kg/m3 @ 150 º C.

Sección transversal del ducto= 5,5 m de altura x 5 m de ancho.

Perdida en el PES =0,4 in H2O = 10,16 mm H2O.

Radio hidráulico: nsversalSeccionTra

nsversalSeccionTra

PA

R = (6.4)

Donde: A= Área de sección Transversal

P= Perímetro de sección transversal

Radio hidráulico: ( )( ) ( ) =+

=525,52

55,5R 1,3095 m.

A partir de la ecuación (3.1)

Pérdida de presión D en los ductos:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gRHfvD g

21000

2ρ+ accesorios

129

Donde gρ =densidad del gas (kg/m3).


v=velocidad del gas. (m/s).

H=longitud del ducto. (m)

g=gravedad. (m/s2)

R=radio hidráulico. (m)

Luego la pérdida de presión en los ductos del precalentador al PES será de:

( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,925015014,0

1000850,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D =0,00843 m H2O = 8,43 mm H2O.

Del PES a la chimenea se calcula la caída de presión total de la siguiente

manera:

Pgas = 20 – 8,43 – 10,16 = 1,41 mm H2O.

Ptotal= 10335 + 1,41 = 10336,41 mm H2O.

( )gasg

totalg TR

P=ρ

Donde Ptotal= presión absoluta.(mm H2O).

Rg= constante de los gases.

Tgas= temperatura del gas.

( )42337,2941,10336

=gρ = 0,832 kg/m3.

Luego la pérdida de presión en los ductos del PES a la chimenea será de:

( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,925015014,0

1000832,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D = 0,00764 m H2O = 7,64 mm H2O.

Total perdida de tiro para unidad 9 con PES = 8,43 + 7,64 + 10,16 = 26,23 mm

H2O.

130

Unidades 7 y 8.










De la ecuación (6.4):


=525,52

55,5R 1,3095 m.

Aplicando la ecuación (3.1).

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gRHfvdD

21000

2

+ accesorios

Se tiene que la pérdida de presión en los ductos del precalentador al PES será

de:

( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,921015014,0

1000850,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D =0,00358 m H2O = 3,58 mm H2O.


manera:

Pgas = 20 – 3,58 – 10,16 = 6,26 mm H2O.

Ptotal= 10335 + 6,26 = 10341,26 mm H2O.

( )gas

totalg TR

P=ρ

131

( )42337,2926,10341

=gρ = 0,832 kg/m3.


( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,921015014,0

1000832,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D = 0,00356 m H2O = 3,56 mm H2O.

Total perdida de tiro para unidades 7 y 8 con PES = 3,58 + 3,56 + 10,16 = 17,3 mm

H2O.

6.5.2.2. Con carga mínima (40 %).

Unidad 9.







Densidad del gas =0,882 kg/m3 @ 136º C.



Radio hidráulico: nsversalSeccionTra

nsversalSeccionTra

PA

R = (6.4)

Donde: A= Área de sección Transversal

P= Perímetro de sección transversal


=525,52

55,5R 1,3095 m.

Pérdida de presión D en los ductos:

De la ecuación 3.1, del capítulo 3:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gRHfvD g

21000

2ρ+ accesorios

132

Donde gρ =densidad del gas (kg/m3).


v=velocidad del gas. (m/s).

H=longitud del ducto. (m)

g=gravedad. (m/s2)

R= radio hidráulico. (m)


( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,925015014,0

1000882,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D =0,00794 m H2O = 7,94 mm H2O.


manera:

Pgas = 10 – 7,94 – 10,16 = - 8,1 mm H2O.

Ptotal= 10335 + (-8,1) = 10326,9 mm H2O.

( )gasg

totalg TR

P=ρ

Donde Ptotal = presión absoluta. (mm H2O).

Rg= constante de los gases.

Tgas= temperatura del gas.

( )40937,299,10326

=gρ = 0,859 kg/m3.


( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,925015014,0

1000859,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D = 0,00781 m H2O = 7,81 mm H2O.

133

Total perdida de tiro para unidad 9 con PES = 7,84 + 7,81 + 10,16 = 25,91 mm H2O.

Unidades 7 y 8.










De la ecuación (6.4): Radio hidráulico: ( )( ) ( ) =+

=525,52

55,5R 1,3095 m.

Aplicando la ecuación (3.1) del capítulo 3.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

gRHfvD g

21000

2ρ+ accesorios


( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,921015014,0

1000882,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D =0,00362 m H2O = 3,62 mm H2O.


manera:

Pgas = 10 – 3,62 – 10,16 = -0,1636 mm H2O.

Ptotal= 10335 + (-0,1636) = 10334,84 mm H2O.

( )gas

totalg TR

P=ρ

134

( )40937,2984,10334

=gρ = 0,860 kg/m3.


( ) ( )( )( ) 00254,0

3095,181,921015014,0

1000860,0 2

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=D = 0,00359 m H2O = 3,59 mm H2O.

Total perdida de tiro para unidades 7 y 8 con PES = 3,62 + 3,59 + 10,16 =

13,78 mm H2O.

135

Tabla 6.7. Resultados de capitulo 6 Fuente: Elaboración propia

Cálculo Resultado Número de secciones del PES 4

MDD1 10 μm

MDD2 5, 62 μm

MDD3 4, 31 μm

MDD4 3, 91 μm

SCA1 8, 90 s/m

SCA2 15, 84 s/m

SCA3 20,66 s/m

SCA4 22,74 s/m

Area1 3809,82 m2

Area2 6773,41 m2

Area3 8835,64 m2

Area4 9723,94 m2

Areat 29842,82 m2

Seccion 1 6 placas

Seccion 2 9 placas

Seccion 3 12 placas

Seccion 4 14 placas

Longitud de fondo del PES 50 m

Ancho del PES 20,4 m

Emisión de partículas actual 140,8 kg/h

Emisión de partículas con PES 37,4 kg/h

Material particulado recolectado 3113,19 t/año

Tiro chimenea 40 % 25,46 mm H2O

Pérdida Tiro a 40 % para unid 9 25,91 mm H2O

Pérdida Tiro a 40 % para unid 7 y 8 13,78 mm H2O

Tiro chimenea 105 % 28,97 mm H2O

Pérdida Tiro a 105 % para unid 9 26,23 mm H2O

Pérdida Tiro a 105 % para unid 7 y 8 17,3 mm H2O

136

Tiro del circuito aire - combustible (105 %)

0

-47

658

479

309

115

20 11,26 1,1 -6,54 0

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Componentes del Circuito

Pres

ión

mm

H2O

Fig. 6.8. Tiro del circuito aire – combustible a 105%. Unidad 9 (Incluyendo el PES) Fuente: Elaboración propia.

Leyenda:



3. Quemadores.



6. Salida del precalentador

7. Entrada al Precipitador Electrostatico (PES)

8. Salida del Precipitador Electrostático (PES)

9. Entrada a chimenea.

10. Salida de chimenea.

137


0-18

348

290

120

45

10 2,16-8 -15,81

0

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


Pres

ión

mm

H2O

Fig. 6.9. Tiro del circuito aire – combustible a 40%. Unidad 9 (Incluyendo el PES)


Leyenda:



3. Quemadores.



6. Salida del precalentador

7. Entrada al Precipitador Electrostatico (PES)

8. Salida del Precipitador Electrostático (PES)

9. Entrada a chimenea.

10. Salida de chimenea.

138

CAPITULO VII

ASPECTOS AMBIENTALES Y ECONÓMICOS ASOCIADOS A

LA INSTALACIÓN DEL PES

7.1. Aspectos ambientales

Debido a los grandes cambios ambientales que se están llevando a cabo en el

planeta surge la necesidad de echar adelante una serie de medidas que garanticen, y

por lo tanto, promuevan su conservación; todo esto ante el acelerado desarrollo del

parque industrial a nivel mundial y siendo este considerado como una de las mas

importantes fuentes de alteración ecológica.

Las diversas industrias generan ciertos desechos que son sumamente dañinos a

la salud ambiental, bien sea en forma sólida, liquida o gaseosa; daños serios (a veces

irreversibles) al ecosistema que afectan directamente a todo ser vivo que habita en el.

La industria termoeléctrica no escapa de esta situación, he allí la razón del

desarrollo de soluciones que, si bien no acaban completamente con el problema de

contaminación, lo controlan hasta límites aceptables previamente establecidos por

organismos competentes.

Las empresas termoeléctricas basan su actividad en la transformación de

energía química en energía eléctrica, para lograr esto es necesaria la combustión de

productos derivados del petróleo que, al llevarse a cabo generan emisiones gaseosas

cargadas de ciertos agentes contaminantes.

Los combustibles provenientes del petróleo aportan al ambiente gases y

partículas que alcanzan concentraciones lo suficientemente altas que ocasionan

efectos adversos al clima y al medio ambiente, afectando la calidad de vida del ser

humano. En la tabla 7.1 se muestran las emisiones que se producen luego de la

combustión de fuel oil Nº 6, combustible utilizado en la planta donde se realiza el

estudio, medidos en kilogramos por toneladas de combustible consumido.

La cantidad de contaminantes en el ambiente puede variar de acuerdo al tipo y

tamaño de la caldera y de la técnica utilizada en la quema de combustible, sin

139

embargo el principal factor para los efectos ambientales se debe al tipo de

combustible y sus compuestos.

Poder

calorífico (Btu/lb)

Emisión Partículas

(kg/t)

Emisión SOx

(kg/t)

Emisión NOx

(kg/ton)

Emisión CO

(kg/t) Fuel Oil Nº 6 (Bunker C)

18000 2,6 - 3.6 39 - 54 6,7 – 8,2 0,61

Tabla 7.1. Factores de emisión de combustibles líquidos empleados en la industria. Fuente: Elaboración propia con datos de External Combustion Sources.

La intención de instalar Precipitadores Electrostáticos en la planta Ampliación

Tacoa es disminuir la ceniza y material particulado fino que es emitido al ambiente a

través de los gases de escape producto de la combustión del Fuel Oil Nº 6. Es

importante destacar que con este dispositivo no se controlan las emisiones de SOx,

NOx, o CO presentes en dichos gases ya que no es diseñado para tal fin sino

solamente para tratar material sólido.

Por otra parte las emisiones de SOx dependen únicamente de la cantidad de

azufre contenido en el combustible, ni la caldera ni el tipo de quemador utilizado en

el proceso es determinante en su producción.

La constitución de la República Bolivariana de Venezuela establece con

respecto al derecho al ambiente en el capítulo IX, artículos 127 y 129 lo siguiente:

“Artículo 127. Es un derecho y un deber de cada generación proteger y

mantener el ambiente en beneficio de sí misma y del mundo futuro. Toda persona

tiene derecho individual y colectivamente a disfrutar de una vida y de un ambiente

seguro, sano y ecológicamente equilibrado. El Estado protegerá el ambiente, la

diversidad biológica, genética, los procesos ecológicos, los parques nacionales y

monumentos naturales y demás áreas de especial importancia ecológica. El genoma

de los seres vivos no podrá ser patentado, y la ley que se refiera a los principios

bioéticos regulará la materia.

Es una obligación fundamental del Estado, con la activa participación de la

sociedad, garantizar que la población se desenvuelva en un ambiente libre de

140

contaminación, en donde el aire, el agua, los suelos, las costas, el clima, la capa de

ozono, las especies vivas, sean especialmente protegidos, de conformidad con la ley”.

“Artículo 129. Todas las actividades susceptibles de generar daños a los

ecosistemas deben ser previamente acompañadas de estudios de impacto ambiental y

socio cultural. El Estado impedirá la entrada al país de desechos tóxicos y peligrosos,

así como la fabricación y uso de armas nucleares, químicas y biológicas. Una ley

especial regulará el uso, manejo, transporte y almacenamiento de las sustancias

tóxicas y peligrosas.

En los contratos que la República celebre con personas naturales o jurídicas,

nacionales o extranjeras, o en los permisos que se otorguen, que involucren los

recursos naturales, se considerará incluida aun cuando no estuviera expresa, la

obligación de conservar el equilibrio ecológico, de permitir el acceso a la tecnología y

la transferencia de la misma en condiciones mutuamente convenidas y de restablecer

el ambiente a su estado natural si éste resultara alterado, en los términos que fije la

ley”.

Es por esto que toda industria radicada en el país debe apegarse

completamente y sin reparo a las leyes correspondiente cumpliendo las medidas de

seguridad establecidas en la ley orgánica del ambiente, de no ser así sería sancionado

de acuerdo a la ley penal del ambiente vigente.

La ley orgánica del ambiente tiene como objeto, según el art.1: de sus

disposiciones generales, “establecer dentro de la política de desarrollo integral de la

nación, los principios rectores para la conservación, defensa y mejoramiento del

ambiente en beneficio de la calidad de vida”.

La ley penal del ambiente establece según su art.1: “tipificar como delitos

aquellos hechos que violen las disposiciones relativas a la conservación, defensa y

mejoramiento del ambiente, y establece las sanciones penales correspondientes. Así

mismo, determina las medida precautelativas, de restitución y de reparación a que

haya lugar”.

En su artículo 6 de título: “Sanciones a personas jurídicas”; reza lo siguiente:

“la sanción aplicable a la personas jurídicas por los hechos punibles cometidos, en las

141

condiciones señaladas en el art. 3 de esta ley, será la multa establecida para dicho

delito y atendida la gravedad del daño causado, la prohibición por un lapso de tres

meses a tres años de la actividad origen de la contaminación.

Si el daño causado fuere gravísimo, además de la multa, la sanción será la

clausura de la fábrica o establecimiento o la prohibición definitiva de la actividad

origen de la contaminación, a juicio del juez”.

En el capítulo IV: del envenamiento, contaminación y demás acciones capaces

de alterar la atmósfera o el aire dice lo siguiente:

Art.44: Emisión de gases: “el que emita o permita escape de gases, agentes

biológicos o bioquímicos o de cualquier naturaleza, en cantidades capaces de

envenenar, deteriorar o contaminar la atmósfera, o el aire en contravención a las

normas técnicas que rigen la materia, será sancionado con prisión de seis (6) a dos (2)

años y multa de seiscientos (600) a dos mil (2000) días de salario mínimo.

La legislación venezolana establece en su decreto Nº 638: “normas sobre la

calidad del ambiente y control de la contaminación atmosférica (1995)” en su art.1:

las normas para el mejoramiento de la calidad del aire y la prevención y control de la

contaminación atmosférica producida por fuentes fijas y móviles capaces de generar

emisiones gaseosas y partículas; de acuerdo a la actividad industrial que se esté

desarrollando. Para el caso de ampliación tacoa por ser una central térmica que utiliza

fuel oil Nº 6 como combustible líquido y por ser una “instalación existente”, el

decreto establece, de acuerdo a la potencia de generación y a las características de la

fuente de emisión, los límites de las sustancias contenidas en los gases de escape

producto de la combustión asociados al dióxido de azufre (SO2), monóxido de

carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado; debido a los efectos

que éstos generan al ambiente. La tabla 7.2 muestra los límites de emisión de acuerdo

al artículo 10 de la sección II del decreto 638.

Para las actividades de funcionamiento que no hayan alcanzado los límites de

emisión establecidos, las normas establecen un régimen de adecuación que permite la

continuación temporal de la actividad mientras dure el proceso de adecuación, cuyo

142

incumplimiento acarrea la aplicación de la ley orgánica del ambiente, sin perjuicio de

la responsabilidad penal prevista en la ley penal del ambiente.

Limites permitidos Contaminantes Actividad existente ( mg/m3) Dióxido de Azufre (SO2) 4500 (cualquier potencia)

Monóxido de Carbono (CO) 400 (cualquier potencia)

Óxidos de Nitrógeno (NOx) 300 (cualquier potencia)

Partículas sólidas 150 Potencia > 200 Mw.

Tabla 7.2. Límites de emisión de contaminantes. Fuente: Elaboración propia con datos del decreto 638. Año 1995.

La planta Ampliación Tacoa y demás plantas pertenecientes al Conjunto

Generador Ricardo Zuloaga (Tacoa y Arrecifes), de acuerdo al art.45 del decreto 638

son sujeto de visitas, inspecciones y mediciones para comprobar el cumplimiento de

las disposiciones de dicho decreto. El costo que genera la realización de estas

inspecciones corre a cargo de la empresa. Estas mediciones se hacen por lo general

cada seis meses de acuerdo a lo establecido en el art.6, por una empresa no

gubernamental y autorizada por el ministerio del trabajo, cuando todas las unidades

disponibles para la producción de energía se encuentran en funcionamiento. El

informe final de la inspección va a la empresa donde se realizó el estudio de calidad

del aire, en este caso, La electricidad de Caracas- AES y otro, al Ministerio del

Ambiente y Recursos Naturales donde se analizarán los resultados y se otorgará, en

caso de que satisfagan los límites establecidos, la constancia de cumplimiento de la

normativa ambiental.

Las normas sobre evaluación ambiental de actividades susceptibles de

degradar el ambiente se encuentran en el decreto 1257 del año 1996 las cuales según

su art.1 tienen como objeto establecer los procedimientos conforme a los cuales se

realizará la evaluación ambiental de actividades susceptibles de degradar el ambiente.

La electricidad de Caracas-AES, de acuerdo a la última inspección, realizada

por la empresa 3A- Actividades Ambientales Atmosféricas C.A entre el 15 y 22 de

143

Septiembre de 2006, se encuentra por debajo de los límites de emisiones establecidos

en el art.3 del decreto 638. Esto se debe a que la empresa siempre ha sido

consecuente en el tema ambiental utilizando para la generación de su energía la

quema dual de combustible. De allí que se haga el presente estudio para prevenir que

esos límites sean rebasados cuando solo se tenga disponibilidad de combustible Fuel

Oil Nº 6 para generar dicha energía.

La legislación venezolana con relación a otros países, permite mayores

concentraciones de sustancias contaminantes al ambiente, esta es otra de las razones

de la importancia de este proyecto ya que mas temprano que tarde dicha legislación

será adecuada a las normas internacionales, modificando los límites de contaminación

y obligando a la empresa a adaptarse a las nuevas normativas. El no cumplimiento de

los sistemas de gestión ambiental internacionales también genera un obstáculo en la

comercialización de la energía en un mercado que incluya a otros países que estén

apegados a dichos sistemas, como por ejemplo la norma ISO 14000.

7.2. Protocolo de Kyoto

Este acuerdo internacional representa un importante paso hacia adelante en la

lucha contra el calentamiento del planeta, ya que contiene objetivos obligatorios y

cuantificados de limitación y reducción de gases de efecto invernadero

El Protocolo de Kyoto es un convenio multilateral firmado en 1997 cuyo

objetivo principal es lograr que para 2008-2012 los países desarrollados disminuyan

sus emisiones de gases de efecto invernadero a un 5 por ciento menos del nivel de

emisiones de 1990

Firmado en la ciudad japonesa de Kyoto, es el primer instrumento legalmente

vinculante entre el desarrollo económico y el medio ambiente. Esto significa que si

un país fallara en cumplir este mandato podría ser forzado a reducir su producción

industrial.

El texto establece cinco puntos principales: compromisos legalmente

vinculantes para países desarrollados; métodos de implementación del protocolo

diferentes de la reducción de emisiones (implementación conjunta); minimización de

144

impactos en países en desarrollo (incluyendo asistencia en diversificar sus

economías); reportes y revisiones por un equipo de expertos y cumplimiento evaluado

por un comité.

El protocolo busca responder a preocupaciones crecientes de que gases

emitidos por actividades humanas, particularmente dióxido de carbono, pueden

ahondar el efecto invernadero y contribuir a variaciones climáticas, que ocasionarían

el calentamiento en la temperatura global.

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático pronostican olas de calor,

inundaciones y sequías en caso de registrarse un aumento de entre 1 y 3.5 grados

centígrados de la temperatura global promedio de la superficie terrestre para 2100.

7.2.1. Disposiciones del protocolo

El Protocolo de Kyoto se aplica a las emisiones de seis gases de efecto

invernadero:

• Dióxido de carbono (CO2)

• Metano (CH4)

• Óxido nitroso (N2O)

• Hidrofluorocarbonos (HFC)

• Perfluorocarbonos (PFC)

• Hexafluoruro de azufre (SF6)

Los Estados miembros de la Unión deberán reducir conjuntamente sus

emisiones de gases de efecto invernadero en un 8% entre los años 2008 y 2012.

Para el periodo anterior a 2008, las Partes se comprometen a realizar progresos

en el cumplimiento de sus compromisos a más tardar en el año 2005 y a poder

facilitar las pruebas correspondientes.

El año 1995 puede considerarse el año de referencia para las Partes que lo

deseen en lo que respecta a las emisiones de HFC, PFC y SF6.

145

Medios para alcanzar los objetivos

Reforzar o establecer políticas nacionales de reducción de las emisiones

(incremento de la eficiencia energética, fomento de las formas de agricultura

sostenibles, desarrollo de fuentes de energías renovables, etc.).

Cooperar con las demás Partes contratantes (intercambio de experiencias o

datos, coordinación de las políticas nacionales en un afán de eficacia mediante

mecanismos de cooperación, como el permiso de emisión, la aplicación conjunta y el

mecanismo de desarrollo limpio).

Las Partes establecerán un sistema nacional de estimación de las emisiones

antropógenas por fuentes y de absorción por sumideros de todos los gases de efecto

invernadero que no estén regulados por el Protocolo de Montreal, a más tardar un año

antes del primer período de compromiso.

146

7.2. Aspectos económicos

A efectos de establecer un criterio de factibilidad económica de la instilación

y manejo de los precipitadores electrostáticos se tomó como referencia la inversión

hecha en la Central Termoeléctrica Ventanas-AES ubicada en chile. Para el fin que se

persigue en este trabajo resulta suficiente ya que se puede ver claramente la magnitud

del desembolso que habría que hacerse por parte de la empresa.

La Central Termoeléctrica Ventanas-AES posee una capacidad instalada de

338 Mw., con unidades que trabajan usando carbón como combustible y fuel Oil Nº 6

como alternativo. Si comparamos con la capacidad instalada de Ampliación Tacoa, en

donde una sola unidad posee 400 Mw. (carga nominal), contando con tres unidades

de igual capacidad, se podrá sacar una conclusión bien acertada. Estas inversiones a

las cuales se hará referencia se hicieron en el año 1995, para establecer un precio real

debemos actualizar esos costos al año 2005, mediante los IPC (índice de precios al

consumidor).

Índice de precios al consumidor: Es un indicador estadístico que tiene como

objetivo medir el cambio promedio en un período determinado, en los precios a nivel

del consumidor de una lista de bienes y servicios, con respecto al nivel de precios

vigente para el año escogido como base. En la tabla se muestra el IPC del año 1995 y

del año 2005, todo esto con respecto a el dólar norteamericano. (US$)

Año IPC 1995 152,4 2005 183,3

Tabla 7. 3. Índice de precios al consumidor (US$).

Fuente: Banco Central de Venezuela.

La manera de actualizar algún costo utilizando el método del IPC se realiza

aplicando la siguiente expresión:

147

Costo actualizado = Costo en el año de referencia x teIPCreferen

IPCactual (7.1)

Nº Inversión US$

1 Construcción de precipitadores Electrostáticos 15.000.000 2 Adquisición e instalación de monitores en chimeneas 750.000

Total 16.750.000

Tabla 7.4. Costo de inversión realizado por AES-Ventanas para la instalación de PES. (1995) Fuente: Elaboración propia con datos tomados Gobierno de chile.

Comisión Nacional del Medio Ambiente.

Nº Acciones Operacionales US$/Año

1 Operación y mantenimiento de precipitadores electrostáticos. 1.000.000

2 Operación y manejo de ceniza. 500.000

3 Operación y mantenimiento de monitores en chimeneas. 50.000

Total 1.550.000

Tabla 7. 5. Costos de operación anual de los PES en AES-Ventanas. (1995) Fuente: Elaboración propia con datos tomados Gobierno de chile.

Comisión Nacional del Medio Ambiente.

Las tablas 7.4 y 7.5 muestran los costos de inversión y operación realizados en

chile para la instalación de los precipitadores electrostáticos realizados en el año

1995. Para actualizarlos se procederá a utilizar la ecuación (7.1).

Para los costos de inversión:

Costo actualizado = 16.750.000 x 4,1523,183

Costo de inversión actualizado = 20.146.161 US$.

Para los costos de operación:

Costo de operación actualizado = 1.550.000 x 4,1523,183

148

Costo de operación actualizado = 1.864.271 US$/ Año

El material recolectado en las tolvas de los precipitadores tiene valor

comercial ya que contiene ciertos minerales, en este caso Vanadio y Níquel, que

pueden ser recuperados y aprovechados en otras actividades. Según datos

suministrados por la Empresa La Electricidad de Caracas el precio oscila entre 180 y

190 US$/t., la empresa tendrá un ingreso por la venta de estos residuos en función de

lo recolectado.

El material recolectado anualmente por las precipitadores, contando las tres

unidades será de 3113.193 toneladas, cálculos realizados previamente en el capítulo

6.

Haciendo la multiplicación de lo recolectado por el precio de venta se obtiene

entonces el valor recuperado por la empresa anualmente con la venta de la ceniza.

Se tiene que dividir entre tres para saber lo recuperado en cada unidad

Valor recuperado = añot

tUS 193.3113*$185 = 575940 $/ año

Por unidad el monto será de 191980 $/año

Si se supone una vida útil del precipitador de 20 años, es posible distribuir los

costos de inversión en este tiempo, agregándole además los costos de operación

anual. Todo esto se puede visualizar en la figura 7.1.

En la figura 7.1 las flechas de color azul indican el ingreso anual,

correspondiente a la venta del material recolectado, mientras que las rojas el egreso

anual, en donde se incluye el costo de inversión distribuido y los costos de operación

cada año.

La empresa de acuerdo con el diagrama deberá desembolsar anualmente la

cantidad dada por:

$2679599191980$1864271$1007308 =−+=legresoanua

149

Fig. 7.1. Diagrama de costos.

Fuente: Elaboración propia

La inversión no se recupera ya que los egresos son mayores a los egresos,

pero se podrá tener la certeza de que no habrá ningún tipo de sanción por

contaminación debido a la emisión de partículas, que pueden acarrear hasta el cierre

de la empresa, un costo que es mucho mayor que la inversión requerida.

Otra opción para disminuir la emisión de material particulado a la atmósfera

mediante los gases de escape sería utilizar un combustible con menor porcentaje de

azufre en el generador de vapor. El costo de dicho combustible desulfurado es

considerablemente mayor que el costo del utilizado actualmente.

De acuerdo a la diferencia de costos entre los combustibles antes mencionados

se verificaran su rentabilidad comparándola con la inversión anual producida por los

precipitadores.

En la tabla 7.6 se muestran los costos y poder calorífico del fuel oil Nº 6

empleado actualmente y del fuel oil Nº 2 con menor contenido de azufre propuesto.

Productos Precio (Bs/l) Poder Calorífico (Btu/kg)

Fuel Oil Nº 2 (0.5 %S) 889,88 42990

Fuel Oil Nº 6 (2.5 %S) 479,08 40785 Tabla 7.6. Precios de combustibles 2006 (VAE)

Fuente: Ministerio de Energía y Petróleo.

Año 20

1864271 $

Año 1

1007308 $

191980 $

150

Para calcular el costo de combustible anual se utiliza la siguiente expresión:

xEHRxCC ec = (7.2)

Donde: Cc=costo de combustible al año. (Bs/año)

Ce=costo de la fuente de energía. (Bs/106 Btu)

HR =consumo específico de calor. (Btu/kwh)

E= energía generada anual. (kwh/año)

Para conocer la energía generada al año se utiliza la siguiente expresión:

Donde: Pp= potencia promedio de la unidad.

La potencia (Pp) se calcula utilizando la potencia nominal de la unidad (Pi) y

el factor de capacidad (Fc) mediante la siguiente expresión:

icp xFFP = (7.3)

Donde: Fc= factor de carga (adimensional)

Pi= potencia nominal (kwh)

Los valores de Fc, Pi y HR para una unidad de planta Ampliación Tacoa se

muestran en la tabla 7.7

Factor de capacidad 0,75 Potencia nominal ( kw) 400

HR 9800 Tabla 7.7. Parámetros de operación de Ampliación Tacoa.

Fuente: Soporte Técnico Ampliación Tacoa.

151

El costo de la fuente de energía se obtiene mediante la siguiente ecuación:

( )( )kgBtuificoPoderCalor

kgBsmbustibleCostodelcoCe /

= (7.4)

Para el fuel oil Nº 6

Así, a partir de la ecuación (7.4)

( )( )

210*1746.1/40785

084.479 −==kgBtukgBsCe =

BtuBs610

11746

Considerando:

Fc=0.75

Pi=400000 kw

Y de la ecuación:

i

pc P

PF = (7.5)

Se tiene que icp PFP *=

Sustituyendo:

kwPp 400000*75.0= ⇒ kwPp 300000=

Luego para un año:

300000 kw *8760 h=2628000000⇒ añokwh910*628.2

Utilizando la ecuación (7.2):

añokwhx

kwhBtux

BtuBsCc

96 10*628.29800

1011746=

añoBsCc 003025111824=

añoCc$140702875=

152

Para el fuel oil Nº 2

Así, a partir de la ecuación (7.4)

( )( )

210*0699.2/42990

88.889 −==kgBtukgBsCe =

BtuBs610

20699

Considerando:

Fc=0.75

Pi=400000 kw

Y de la ecuación:

i

pc P

PF = (7.5)

Se tiene que icp PFP *=

Sustituyendo:

kwPp 400000*75.0= ⇒ kwPp 300000=

Luego para un año:

300000 kw *8760 h=2628000000⇒ añokwh910*628.2

Utilizando la ecuación (7.2):

añokwhx

kwhBtux

BtuBsC c

96 10*628.29800

1020699=

añoBsCc 005330903256=

añoCc$247948988=

De acuerdo a los costos específicos de combustibles calculados, obtenemos la

diferencia entre fuel oil Nº 2 y fuel oil Nº 6:

Dif=107246113 año$

153

CAPITULO VIII

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1. Conclusiones.

• Los precipitadores electrostáticos son los dispositivos que presentan la más

alta eficiencia en el control de emisiones atmosféricas, específicamente de

particulado fino y ceniza presentes en altas proporciones en los gases

producto de la combustión de petróleo residual y carbón, principales

combustibles en la industria termoeléctrica.

• Las dimensiones totales del PES se deben en mayor proporción a las

dimensiones de la placa colectora de partículas.

• Para instalar un dispositivo depurador de emisiones atmosféricas como el PES

dentro de una central termoeléctrica, es fundamental que esto sea considerado

en el proyecto inicial de construcción de dicha planta. Esto debido a sus

grandes dimensiones y la ubicación que deben tener en el circuito aire-gases

de combustión, especialmente en instalaciones donde la emisión de los gases

al medio ambiente se realiza a través de tiro natural, es decir que no se cuenta

con ningún tipo de dispositivo mecánico que ayude a expulsar los gases.

• La adaptación de los PES a plantas termoeléctricas activas trae consigo

dificultades a nivel operativo ya que es necesario ajustar ciertas variables de

funcionamiento para conseguir los niveles óptimos de eficiencia.

• De acuerdo al análisis técnico desarrollado, el tiro de la chimenea con una

carga mínima o máxima es suficiente para contrarrestar la variación de

presión originada con la inclusión del precipitador electrostático en el circuito.

Actualmente para una carga de 105 % se tiene una presión de 20 mm de H2O a

la entrada de la chimenea, y un tiro producido por esta de 28,97 mm de H2O ,

los fabricantes de precipitadores electrostáticos señalan una caída de presión

típica en estos de 0,4 in de H2O, es decir 10,16 mm de H2O. Para la unidad 9

las pérdidas en los nuevos ductos que transportan el gas desde y hacia el PES

154

da un valor total de 26,23 mm de H2O, siendo este sistema (unidad 9) el que

genera mayores pérdidas, ya que el arreglo de dicha ductería es de mayor

longitud. Luego la nueva presión a la entrada de la chimenea sería de – 6,23

mm de H2O, la cual aun es mayor que el tiro generado por la chimenea,

garantizando la circulación natural de los gases a través de esta. Para las

unidades 7 y 8, las pérdidas en el arreglo de ductos son menores debido a que

los gases recorren una menor longitud, por lo tanto la circulación de los gases

se efectuaría aun con mayor fluidez. Considerando una carga de 40 % para la unidad 9, y siguiendo el

razonamiento anterior, la nueva presión calculada a la entrada de la chimenea

es de –5,91 mm de H2O, siendo el tiro de esta 25,46 mm de H2O, la circulación

de los gases ocurre sin inconveniente. Para las unidades 7 y 8 sucede lo

similar a la carga de 105 % descrita anteriormente. • En relación al análisis económico llevado a cabo, se determino que el costo de

capital para la adquisición de los PES es sumamente elevado, sobre todo en

plantas de gran capacidad instalada como es el caso de Ampliación Tacoa,

considerando que este es directamente proporcional al caudal de gases

manejado por las calderas.

• Los costos de operación y mantenimiento son también bastante altos, ya que

al igual que los costos de capital, dependen del caudal de gases manejado por

la caldera.

• El material particulado recolectado en los precipitadores electrostáticos es

aprovechable en la industria metalúrgica debido a su contenido de vanadio y

níquel.

• Los precipitadores electrostáticos funcionan como separador electrostático,

esto conduce a pensar que las emisiones de gases de invernadero no son

controladas de forma alguna con la acción de este dispositivo.

• De llevarse a cabo este proyecto las emisiones de partículas disminuirán de

hKg140 a 36.38 h

Kg , lo cuál indica una reducción del 73.41 %, pero

155

debemos considerar las pérdidas por reencauzamiento en el PES. Esto permite

concluir que, si bien las emisiones de la planta actualmente se encuentran

dentro de los niveles permitidos, mediante la inclusión del PES se podrá

garantizar cumplir con los límites permitidos de aplicarse una normativa

ambiental más rigurosa.

• De acuerdo a la comparación establecida entre los precio del fuel oil Nº 6

(usado actualmente) y fuel oil Nº 2, se nota que este último supera al primero

apreciablemente, siendo esto un índice para concluir que el costo de inversión

y operación anual que generaría la instalación del PES sería notablemente

menor, lo cuál verifica que la realización de este proyecto es viable.

156

8.2. Recomendaciones

• Se recomienda la instalación de un dispositivo mecánico, como por ejemplo

un ventilador de tiro inducido, que genere un tiro adicional que conlleve a la

expulsión de los gases hacia el medio ambiente.

• Para mejorar la eficiencia de recolección en el sistema, es recomendable la

instalación de un sistema de pre-tratamiento de gases de escape antes de llegar

al PES, este puede ser un separador mecánico que capte las partículas de

mayor tamaño.

157

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

Textos

1. Eco, U, 1982, Cómo se Hace una Tesis, editorial Gedisa, Buenos Aires

2. Jones, J.B, 1997, Ingeniería Termodinámica, editorial Prentice Hall, México.

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18. Revista técnica LUZ. Efecto de las variables operacionales en la lixiviación ácida

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22. Mitsubishi heavy Industries, 1978, Manual de Operaciones de las unidades 7, 8, 9

de Ampliación Tacoa.

APÉNDICE A: FIGURAS DEL PES Y SUS COMPONENTES

DESCRIPCIÓN DE LA CARCAZA DEL PES

160

CARACTERISTICAS DE LAS TOLVAS

TOLVAS LONGITUDINALES

TOLVA PIRAMIDAL

161

CONFIGURACIONES DE SISTEMAS DE TOLVAS

162

TRANSPORTE DE TORNILLO

TRANSPORTE DE CADENA

163

DISTRIBUCIÓN DEL GAS

SISTEMA RECOLECTOR

165

SISTEMA DE DESCARGA

TRANSMISIÓN DEL GOLPETEO

166

UNIDAD DE MANEJO PARA LA TRANSMISIÓN DE GOLPETEO

CAMARA DEL AISLADOR

167

SOPORTES PENDULARES

SOPORTE DE RODAMIENTOS DESLIZANTES O A BOLAS

168

DIMENSIONES DE LAS CAMINERIAS Y BARANDAS DEL PES SEGÚN NORMAS DIN.

169

ANEXOS

1. PLANO AÉREO AMPLIACIÓN TACOA. (DISPOSICIÓN ACTUAL)

Nota: cada recuadro en el plano representa un área de 50x50 m.

170

2. PLANO AÉREO AMPLIACIÓN TACOA. (CON PES INSTALADO)

Nota: cada recuadro en el plano representa un área de 50x50 m.

171

3. VISTA DEL ÁREA DISPONIBLE.

AMPLIFICACION DEL DETALLE A

172

4. GALPÓN DISPONIBLE PARA EL DEPÓSITO DE LOS DESECHOS.

173

5. PRECALENTADOR DE AIRE LJUNGSTRÖMG

174

6. RESISTIVIDAD DE LA PARTÍCULA.

175

1. PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. COMBUSTIBLES RESIDUALES. NORMA 787

176

2. PROPIEDADES DEL FUEL OIL Nº 6.

177

8. VISTA LATERAL UNIDAD 7 PLANTA AMPLIACIÓN TACOA

178

9. REPORTE DE MEDICIONES REALIZADAS POR LA EMPRESA 3A

179

estudio de factibilidad tecno-econÓmico para la …saber.ucv.ve/bitstream/123456789/7027/1/tesis...

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