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ESTUDIO DE VIABILIDAD DEL SISTEMA DE COGENERACIÓN D E LA PTAR-CAÑAVERALEJO

JOSÉ LIBARDO CARDONA NARVÁEZ GUSTAVO ADOLFO GALINDRES BERNAL

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2007

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ESTUDIO DE VIABILIDAD DEL SISTEMA DE COGENERACIÓN D E LA PTAR-CAÑAVERALEJO

JOSÉ LIBARDO CARDONA NARVÁEZ GUSTAVO ADOLFO GALINDRES BERNAL

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Director CAMILO BOTERO GARCÍA

I.M. M.Sc Ingeniería Térmica

Asesor ARMANDO BACCA ROBAYO

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2007

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar el título de Ingeniero Mecánico.

Ing. ALFREDO ARAGÓN Jurado

Ing. RICARDO VIDAL Jurado

Santiago de Cali, 05 de junio de 2007

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CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO 13

RESUMEN 17

INTRODUCCIÓN 18

1. LOCALIZACIÓN DE LA PTAR-CAÑAVERALEJO 20

1.1. PROYECTO PTAR-CAÑAVERALEJO 20

1.1.1. Caudales de tratamiento 21

1.1.2. Calidad del afluente 22

1.1.3. Balance de masas para la producción de biogás (metano) con DQO 23

1.1.4. Efecto ambiental 25

1.2. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA PLANTA PTAR-CAÑAVERALEJO 25

2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS PROCESOS DE LA PTAR-C 26

2.1. DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE TTO 26

2.2. PROCESO DE TRATAMIENTO LÍNEA DE AGUA RESIDUAL 26

2.2.1. Colectores afluentes 26

2.2.2. Mediciones de caudal 27

2.2.3. Rejas gruesas 27

2.2.4. Estación de bombeo 28

2.2.5. Cámara de integración 28

2.2.6. Rejillas finas 28

2.2.7. Desarenadores 29

2.2.8. Tipos de tratamiento 29

2.2.9. Tratamiento primario avanzado (TPA) 30

2.2.10. Sedimentadores 30

2.3. PROCESO DE TRATAMIENTO DE LODO 34

2.3.1. Triturador de sólidos 34

2.3.2. Rejilla de lodos primarios 35

2.3.3. Tanque espesador de lodos 35

5

2.3.4. Cálculo eficiencias de remoción de SST por concentración y carga 37

2.3.5. Digestores anaerobios 40

2.3.5.1. Microbiología del proceso digestión anaerobia 44

2.3.6. Condiciones de digestión 45

2.3.7. Sistema de agitación y recirculación de lodo 48

2.3.8. Tanque almacenador de lodos 49

2.3.9. Deshidratación de lodos 50

2.3.10. Sistema control de olores 50

2.4. LÍNEA DE BIOGÁS 51

2.4.1. Sistema de purificación del biogás 54

2.4.2. Tanques de almacenamiento del biogás 54

2.4.3. Quemadores de biogás 55

2.4.4. Humedad del biogás 55

2.4.5. Sistema secador de biogás 56

3. SISTEMA DE COGENERACIÓN PTAR-CAÑAVERALEJO 58

3.1. COGENERACIÓN CON MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 58

3.1.1. Ciclo de Otto 58

3.1.2. Características de los motores de combustión interna 59

3.2. MOTO/GENERADORES PTAR-CAÑAVERALEJO 62

3.2.1. Sistema de enfriamiento 64

3.2.2. Sistema del Combustible 65

3.2.3. Sistema de arranque 67

3.2.4. Sistema de admisión de aire 68

3.2.5 Sistema de prelubricación 70

3.3. BALANCE ESTEQUIOMETRICO DE BIOGÁS (METANO) 70

3.3.1. Relación consumo aire/combustible en los motores MCIA 73

3.3.2. Consumo de combustible con el poder calorífico del Biogás 74

3.4. CROMATOGRAFÍA BIOGÁS PTAR - CAÑAVERALEJO 77

3.5. CONSUMO DE COMBUSTIBLE CON GAS NATURAL 78

3.5.1. Ajuste de potencia 79

3.6. ENERGÍA CALORÍFICA RECUPERABLE 80

3.6.1. Energía del Sistema de enfriamiento del Motor 82

3.6.2. LMTD de temperaturas intercambiador agua de enfriamiento motor 82

6

3.6.3. LMTD del intercambiador de calor lodos de digestores 84

3.6.4. Energía en el Sistema de Refrigeración del Aceite 85

3.6.5. Energía en los Gases de Escape 85

4. FACTIBILIDAD ECONÓMICA SISTEMA DE COGENERACIÓN 94

4.1. AHORRO ANUAL CON EL SISTEMA DE COGENERACIÓN 97

4.2. PERDIDAS EN 5 AÑOS CON 2 MOTO/GENERADORES. 98

4.3. PERDIDAS EN 5 AÑOS CON 1 MOTO/GENERADOR 99

4.4. PROYECCIÓN DE AHORRO ANUAL AÑO 2007 AL 2012 102

5. CONCLUSIONES 104

6. RECOMENDACIONES 105

BIBLIOGRAFÍA 107

ANEXOS 109

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo 20

Figura 2. Efluente clarificado sedimentador primario 25

Figura 3. Procesos involucrados en el tratamiento 26

Figura 4. Esquema del proceso de tratamiento línea de agua residual 27

Figura 5. Sistema bombas tornillo de Arquímedes 28

Figura 6. Sistema mecánico para separar sólidos 28

Figura 7. Tanque desarenador 29

Figura 8. Sistema de dosificación de químicos (TPA) 29

Figura 9. Sedimentadores primarios Ptar-Cañaveralejo 30

Figura 10. Vista interna del sedimentador primario 31

Figura 11. Esquema de tratamiento de lodo primario 34

Figura 12. Esquema de tratamiento de lodo primario 34

Figura 13. Rejilla de lodos primarios 35

Figura 14. Tanque espesador de lodos 35

Figura 15. Esquema general de los sólidos suspendidos totales (SST) 38

Figura 16. Prueba de laboratorio para medir sólidos suspendidos totales (SST) 39

Figura 17. Digestor anaerobio 40

Figura 18. Sistema de seguridad de los digestores anaerobios 48

Figura 19. Sistema interno de agitación digestores y los compresores 48

Figura 20. Motobombas de recirculación de lodos 49

Figura 21. Almacenador de lodos digeridos 49

Figura 22. Sistema filtro prensa de banda 50

Figura 23. Sistema biológico control de olores 51

Figura 24. Mufla y crisol con muestra de lodo 53

Figura 25. Indicador mensual producción de biogás año 2006 53

8

Figura 26. Sistema purificador de biogás 54

Figura 27. Tanques de almacenamiento del biogás 54

Figura 28. Quemadores de biogás 55

Figura 29. Sistema secador de biogás 56

Figura 30. Diagrama P-v para el ciclo de Otto 58

Figura 31. Motores Waukesha 63

Figura 32. Generador planta Ptar-Cañaveralejo 63

Figura 33. Precámara de combustión 66

Figura 34. Moto/generador Waukesha 68

Figura 35. Turbocargador refrigerado por agua 69

Figura 36. Cromatógrafo de Gases y Masas 74

Figura 37. Gráfica para el cálculo del consumo de combustible 75

Figura 38. Cálculo poder calorífico con wki-waukesha 77

Figura 39. Esquema del sistema de cogeneración Ptar-Cañaveralejo 81

Figura 40. Intercambiador de calor camisa del motor 82

Figura 41. Intercambiador de calor del circuito lodos de digestores 84

Figura 42. Indicador consumo energía de la red EMCALI año 2006 89

Figura 43. Indicador mensual consumo energía de la red EMCALI año 2006 90

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Ingreso de agua residual a la Ptar-Cañaveralejo año 2005 21

Tabla 2. Ingreso de agua residual a la Ptar-Cañaveralejo año 2006 22

Tabla 3. Características y rendimientos de remoción Ptar-C año 2005 22

Tabla 4. Características y rendimientos de remoción Ptar-C año 2006 23

Tabla 5. Criterios de diseño de la Ptar-Cañaveralejo 25

Tabla 6. Caudales nominales de diseño que ingresan a la Ptar-Cañaveralejo 27

Tabla 7. Porcentajes de remoción SST, DBO5 y DQO exigidos 30

Tabla 8. Volumen de lodo primario (sedimentadores) periodo enero-junio 2005 32

Tabla 9. Volumen de lodo primario (sedimentadores) periodo julio–dic. 2005 33

Tabla 10. Volumen de lodo primario (sedimentadores) enero–junio 2006 33

Tabla 11. Parámetros fisicoquímicos espesador de lodos enero–junio 2005 36

Tabla 12. Parámetros fisicoquímicos del espesador de lodos julio–dic. 2005 37

Tabla 13. Parámetros fisicoquímicos del espesador de lodos enero–junio 2006 37

Tabla 14. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores enero–junio 2005 41

Tabla 15. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores julio-dic. 2005 42

Tabla 16. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores enero-junio 2006 43

Tabla 17. Producción y consumo de biogás año 2006 51

Tabla 18. Características del biogás (metano) 55

Tabla 19. Datos técnicos de funcionamiento secador de biogás 56

Tabla 20. Especificaciones técnicas del motor 63

Tabla 21. Especificaciones técnicas del generador de la Ptar-Cañaveralejo 64

Tabla 22. Datos del funcionamiento del Motor Waukesha L7042GL 70

Tabla 23. Cromatografía de la caracterización del biogás 71

Tabla 24. Potencias para combustibles diferentes motor Waukesha 79

Tabla 25. Registro de consumo de potencia y energía Ptar-Cañaveralejo 86

10

Tabla 26. Registro de consumo de potencia y energía Ptar-Cañaveralejo 87

Tabla 27. Producción y consumo de energía Ptar-Cañaveralejo año 2006 88

Tabla 28. Consumo de la red EMCALI máximos y mínimos Ptar-C 2006 90

Tabla 29. Proyección del consumo histórico de energía Ptar-Cañaveralejo 94

Tabla 30. Costo del sistema de generación Ptar-Cañaveralejo 95

Tabla 31. Promedio de inflación en Colombia y proyección a cinco año 95

Tabla 32. Costos de mantenimiento y operación moto/generador 96

Tabla 33. Costo de mantenimiento y operación calentador Kayannson 100

Tabla 34. Costo y ahorro de la energía eléctrica comprada y generada. 101

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Mejora del sistema de trituración de sólidos 109

Anexo B. Cañas de agitación de lodo 109

Anexo C. Válvulas de seguridad 110

Anexo D. Triturador de sólidos 110

Anexo E. Sistema automático control de temperatura 111

Anexo F. Cámara de media presión línea de Biogás 111

Anexo G. Purgas manuales 112

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AGRADECIMIENTOS Damos gracias a Dios por darnos la capacidad para desarrollar el objetivo planteado en el proyecto, de igual manera a nuestras familias por la tolerancia y el apoyo desinteresado durante nuestra carrera, gracias a EMCALI-E.I.C.E, la planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo de Cali, la planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando de Medellín, la planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre de Bogotá, grupo de profesionales de apoyo de la Ptar-Cañaveralejo, Universidad Autónoma de Occidente y profesores del programa de ingeniería mecánica y facultad de economía.

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GLOSARIO BIOGÁS: gas producido mediante proceso metabólico de descomposición de materia orgánica, sin la presencia de oxigeno; combustible de alto contenido calórico. BTU: unidad térmica británica que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un grado Fahrenheit (ºF), la temperatura de una libra masa de agua. CADICAS: cámaras de distribución de caudales. CALOR ESPECÍFICO: cantidad de calor requerida para que la unidad de masa gas aumente su temperatura en 1 ºC. CALOR: se define como la energía en estado de transferencia o transición desde un cuerpo a otro a consecuencia de la diferencia de temperaturas es decir, el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura cede energía al cuerpo de menor temperatura; sea por contacto directo o a través de un medio de transferencia. CAÑAS: sistema de tuberías instaladas dentro del digestor por donde circula biogás para la agitación del lodo. CARCALL: captación de aguas residuales en canales de aguas lluvias. COMBUSTIBLE: es cualquier sustancia rica en materia inflamable, puede ser sólido, líquido, o gaseoso; la mayor parte de los combustibles son hidrocarburos, los combustibles gaseosos son más limpios, su combustión se regula fácilmente y se consigue un quemado casi completo con poco exceso de aire. COMBUSTIÓN ESTEQUIOMÉTRICA: proporción correcta de oxigeno y combustible para que ambos reaccionen completamente, como resultados se

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obtiene gases de escape libre de oxigeno ni combustible en exceso y en esta etapa se llega a la temperatura más alta en la combustión. COMBUSTIÓN POBRE: menos combustible y aproximadamente la misma cantidad de oxigeno, como resultados se obtiene menos consumo de combustible, pérdida de potencia, exceso de oxigeno en el escape y temperatura de combustión más baja. COMBUSTIÓN RICA: hay mas combustible y aproximadamente la misma cantidad de oxigeno, como resultados se obtiene mayor consumo de combustible, potencia adicional (ligeramente rica), exceso de combustible en el escape y temperatura de combustión más baja. COMBUSTIÓN: rápida oxidación (O2) del combustible en donde la temperatura de los elementos se eleva, produciendo la liberación de una cantidad considerable de luz y calor. CONCENTRACIÓN: la concentración de una disolución es la relación existente entre las correspondientes cantidades de disolvente y de soluto que forman parte de ella. CRIBADO: operación utilizada para separar el material grueso que arrastra el agua residual, mediante el paso de ella por una criba o rejilla. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO): determinación de la cantidad de oxigeno requerido para estabilizar los materiales orgánicos biodegradables por una población heterogénea de microorganismos. El cálculo, de contaminación de las aguas se usa el DBO, verificándose el peso de oxígeno en un volumen unitario de agua durante el proceso biológico de la degradación de las materias orgánicas. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO5): determinación cuantitativa de la cantidad de materia orgánica biodegradable que contiene una muestra de agua en cinco días. DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO): parámetro analítico que mide el material orgánico contenido en una muestra liquida de agua residual, mediante

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oxidación química. DETONACIÓN: la detonación es la auto-ignición de la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión. GENERADOR: transformador de energía mecánica en energía eléctrica. GL: motor de combustión interna turbocargado e ínterenfriado de mezcla pobre. ÍNDICE DE DETONACIÓN DE WAUKESHA (WKITM): es una escala que mide la estabilidad del combustible, o en otras palabras, la habilidad del combustible para resistir la detonación. Un valor muy bajo demanda retraso del tiempo de encendido y una reducción de potencia. Valores típicos WKITM: Metano (CH4)=100, gas de Basura=140, gas de Digestor=121, gas Natural =91, Propano = 34. IPC: índice del precio al consumidor. IPP: índice del precio al productor. LMTD: diferencia media logarítmica de temperaturas. MOTOR: maquina que convierte energía en forma de combustible químico, en movimiento o trabajo (energía) mecánico. PODER CALORÍFICO NETO: los motores de gas no utilizan el poder calorífico superior, por que el vapor de agua no se condensa dentro del motor, es decir los motores de combustión interna solo pueden aprovechar el poder calorífico neto del combustible. PODER CALORÍFICO SUPERIOR: la energía total que se libera de un pie cúbico de combustible incluyendo el calor necesario para evaporar el agua que se forma durante la combustión.

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POTENCIA ACTIVA (KW): los diferentes dispositivos eléctricos convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. A la energía consumida por dichos dispositivos, que es capaz de producir trabajo útil, se le conoce como potencia activa y es similar a la energía consumida por una resistencia eléctrica; su símbolo es P y sus unidades son los Watts (W). POTENCIA APARENTE (KVA): la potencia total o aparente es la suma geométrica de las potencias activa y reactiva, o bien, el producto de la corriente y el voltaje; su símbolo es S y sus unidades se expresan en volts-ampers (VA). POTENCIA REACTIVA (KVAR): se utiliza potencia activa para producir un trabajo, los motores, transformadores y demás equipos similares requieren un suministro de potencia reactiva para generar el campo magnético necesario para su funcionamiento. La potencia reactiva no produce por si misma ningún trabajo; se simboliza con la letra Q y sus unidades son los volts-ampers reactivos (VAR). PRE-IGNICIÓN: ignición de la mezcla de aire y combustible antes de la chispa. SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST): son una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de un cono imhof en un periodo de una hora y representan la cantidad de lodo removible por sedimentación simple en un sedimentador; normalmente se expresa en ml/l. SÓLIDOS TOTALES (ST): materia que permanece como residuo después de la evaporación y secado a 103 ºC, se expresa en mg/l. SÓLIDOS VOLÁTILES (SV): es la materia orgánica que se oxida a 550 ºC formando CO2 y agua que se volatilizan; se expresa en mg/l. TAJEAS: canal de descarga de aguas residuales tratadas. TRM: tasa representativa del mercado.

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RESUMEN Se realizó un estudio de viabilidad del sistema de cogeneración de la planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo. Se reviso la eficiencia del sistema de cogeneración, realizando un balance térmico y energético con base en el aprovechamiento máximo de energía primaria producida en la Ptar-Cañaveralejo. Fue necesario involucrarse en el proceso de tratamiento de aguas residuales para realizar balance de masas, balance técnico y económico, se evaluó la producción de biogás y por leyes termodinámicas el aprovechamiento del poder energético del combustible, siendo éste fuente principal para el funcionamiento del sistema de cogeneración con capacidad de entregar energía mecánica, eléctrica y calórica útil disponible para la demanda de energía en equipos consumidores y en el desarrollo del proceso. Desde la entrada del agua residual a la planta, analizamos las diferentes variables que afectan el funcionamiento del sistema de cogeneración, por medio de indicadores que muestran la situación actual del tratamiento de las aguas residuales, calidad del lodo, producción y calidad de biogás, demanda y costo diario en Kwh, de energía eléctrica comprada a la red de EMCALI, comparado con el costo del Kwhe generado por la planta. Se evaluó económicamente el costo del sistema de cogeneración, mantenimiento y operación obteniendo ahorros representativos que EMCALI E.I.C.E, ha dejado de percibir; igualmente las perdidas por depreciación de los moto/generadores durante el lapso de cinco años sin funcionamiento. Se realizo proyección económica a cinco años, se propone la forma de operación de los moto/generadores acorde al estado actual del proceso en planta. Se consideran recomendaciones para mejorar la generación de energía eléctrica y calórica útil considerando una mayor producción de biogás (metano).

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INTRODUCCIÓN Las tecnologías de la cogeneración están aplicadas a un gran sector industrial. El desarrollo de la electricidad y la distribución de redes eléctricas en los años de 1920 hicieron declinar el uso de la cogeneración, ya que las compañías prestaban el servicio a menor costo y tenían a su favor las legislaciones restrictivas sobre generación de electricidad. El cambio se produce durante los años setenta cuando se retoma el interés de la cogeneración en las industrias como una fuente de energía más barata y dándole un aprovechamiento más eficiente; la preocupación por el deterioro del medio ambiente también impulso a revivir la tecnología de cogeneración. En los sistemas de cogeneración las centrales termoeléctricas se descentralizan para formar pequeñas plantas que funcionen en el lugar más cercano para su uso, pues no es práctico transportar esta energía a largas distancias, aunque ahora algunas industrias están en el proceso de cogeneración para vender energía eléctrica. En nuestro país la tecnología de la cogeneración es relativamente nueva y se aprovecha en la mayoría de los casos el uso de la energía térmica en forma de vapor para procesos de calentamiento y para generación de energía eléctrica; por lo tanto la cogeneración es producir de manera ligada energía mecánica, energía térmica y eléctrica partiendo de una fuente de energía primaria o utilizando combustibles producto de un proceso como, por ejemplo en el tratamiento de aguas residuales. Las empresas municipales de Cali EMCALI E.I.C.E en lo que relaciona con el tratamiento de las aguas residuales, la promulgación a nivel nacional de la ley 2811 de 1974 y el acuerdo 0147/76 por la corporación autónoma regional del valle del cauca CVC introdujeron un empuje importante en la implementación de sistemas de tratamiento de aguas residuales fue así como en 1997 se inicio la construcción de la Ptar-Cañaveralejo y terminarla en el 2001, para descontaminar el 85% de las aguas residuales de Cali con un caudal promedio de 7.6 m³/s. Es válido describir la Ptar-Cañaveralejo como una planta de producción y un traje hecho sobre medidas, es una industria ya que para su funcionamiento requiere de materia prima, insumos, buena operación, producto terminado, subproductos, etc. La Ptar-Cañaveralejo es considerada como una planta autosuficiente ya que en el proceso se aprovechara el gas producido por las aguas residuales; separando el biogás (metano) como combustible primario para la generación de energía eléctrica.

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El agua de enfriamiento de las camisas de los generadores se utilizara para el calentamiento de los lodos aprovechando su energía térmica en un ciclo cerrado. Con el estudio analizaremos la viabilidad de cogenerar en la Ptar-Cañaveralejo y si realmente está técnicamente balanceada para la generación de energía eléctrica y energía térmica utilizada en el calentamiento de los lodos que retroalimenta el proceso anaerobio de la planta Ptar-Cañaveralejo, la cual ya está cumpliendo con su función de descontaminación, pero que aún le falta el arranque de la generación con biogás (metano); mientras tanto el biogás producido se utiliza como combustible para el calentador de agua del proceso; el exceso de biogás, parte se quema y una pequeña parte es arrojado a la atmósfera.

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1. LOCALIZACIÓN DE LA PTAR-CAÑAVERALEJO La Ptar-Cañaveralejo está ubicada al nororiente de la ciudad de Cali, en un lote de 22 hectáreas, localizado en la comuna 6 en el barrio Petecuy I a 995m.s.m, limita por el oriente con la calle 84, paralela al Jarillón de protección del río Cauca por el norte con la carrera 3º, por el occidente con la calle 73 ó avenida ciudad de Cali y por el sur con la carrera 7º paralela a la vía férrea, La figura 1 muestra la ubicación geográfica de la planta. Figura 1. Planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo

1.1. PROYECTO PTAR-CAÑAVERALEJO Partiendo de la configuración del alcantarillado existente en la ciudad, su orientación, las áreas de expansión futura y la ubicación de las estaciones de bombeo con relación a la planta, se acordó que la Ptar-Cañaveralejo trataría el 85% de las aguas residuales que se vierten al alcantarillado de la ciudad,

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alcanzando su capacidad total de diseño en el año 2015. Con la incorporación de las aguas residuales de la zona noroccidental y las áreas localizadas, el margen izquierdo del rió Cali, la planta estará en capacidad de recibir más del 95% del área de servicio de alcantarillado sin contar con las zonas de expansión del sur cuyos servicios, incluido el tratamiento de aguas residuales, serán resueltos por los urbanizadores, los caudales de operación de la planta según el diseño original y para el año 2015, serian los siguientes: • Caudal mínimo = 4,41m³/s • Caudal promedio = 7,6m³/s • Caudal máximo = 12,24m³/s El cubrimiento en el tratamiento de aguas residuales de la ciudad, sólo se cumplirá cuando se concluyan las obras requeridas para evitar que aguas residuales se descarguen en los canales de aguas lluvias, labor que viene siendo desarrollada en el departamento de CARCALL y se efectúe el transvase de las aguas residuales del noroccidente y del margen izquierdo del río Cali. 1.1.1. Caudales de tratamiento. El programa de obras para controlar el vertimiento de aguas residuales a través de los canales y el transvase de aguas residuales, permite estimar que en el año 2007, el caudal medio afluente a la Ptar-Cañaveralejo será de un caudal promedio de 4,5m³/s. La tabla 1 y 2 muestran el ingreso de agua residual a la planta en los años 2005 y 2006 respectivamente. Tabla 1. Ingreso de agua residual a la Ptar-Cañaveralejo año 2005

MES PROMEDIO PRIMER SEMESTRE MES PROMEDIO SEGUNDO SEMESTRE

ENERO 3,56 JULIO 3,36FEBRERO 3,26 AGOSTO 2,62

MARZO 3,67 SEPTIEMBRE 2,71ABRIL 3,94 OCTUBRE 2,25MAYO 3,14 NOVIEMBRE 3,34JUNIO 3,37 DICIEMBRE 3,95

PROMEDIO 3,49 PROMEDIO 3,04

CAUDAL EN m³/s (AÑO 2005)

Los valores de caudal corresponden a la información sumistrada por el área de procesos y el sistema de supervisión SCADA.

PROMEDIO ANUAL 3,26

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Tabla 2. Ingreso de agua residual a la Ptar-Cañaveralejo año 2006

1.1.2. Calidad del afluente. Las características medias actuales del afluente a la planta, reportan una concentración promedio de 216mg/L de DBO5 y 178mg/L de SST. Estas concentraciones están afectadas por diluciones causadas por algunas aguas de infiltración y porque cierta parte de las aguas residuales no se recibe en el alcantarillado sanitario. La tabla 3 y 4 muestran las características y rendimientos de la Ptar-Cañaveralejo en los años 2005 y 2006 respectivamente. Tabla 3. Características y rendimientos de remoción Ptar-C año 2005

MESCOLECTOR

CENTRAL (m³/s)IMPULSIONES

(m³/s)INGRESO

TOTAL (m³/s)CAUDAL TOTAL

DIA (m³/dia)CAUDAL TOTAL

MES (m³/mes)ENERO 0,95 2,83 3,78 326592 10124352

FEBRERO 1,33 2,33 3,66 316224 8854272MARZO 0,96 2,99 3,95 341280 10579680ABRIL 1,04 2,76 3,80 328320 9849600MAYO 1,01 2,62 3,63 313632 9722592JUNIO 0,92 2,89 3,81 329184 9875520JULIO 0,74 2,41 3,15 272160 8436960

AGOSTO 0,69 2,84 3,53 304992 9454752SEPTIEMBRE 0,86 2,86 3,72 321408 9642240

OCTUBRE 0,85 3,06 3,91 337824 10472544NOVIEMBRE 0,79 3,70 4,49 387936 11638080DICIEMBRE 1,01 3,20 4,21 363744 11276064

PROMEDIO 0,93 2,87 3,80 328608 9993888Los valores de caudal corresponden a la información sumistrada por el área de procesos y el sistema de supervisión SCADA.

SST SSV DBO5 DQO SST SSV DBO5 DQO SST DBO5 DQO SST DBO5 DQO SST DB O5 DQO

UNIDADES (m³/s)ENERO 3,56 169 120 211 438 64 46 128 274 62 39 37 51982 64900 134722 19685 39371 84278

FEBRERO 3,26 187 138 257 485 70 50 154 302 63 40 38 52671 72388 136607 19716 43376 85063MARZO 3,67 171 116 185 445 63 44 112 285 63 39 36 54222 58661 141104 19977 35514 90370ABRIL 3,94 171 122 189 438 71 52 121 288 58 36 34 58211 64339 149102 24170 41190 98040MAYO 3,14 162 116 192 432 71 50 121 283 56 37 34 43950 52089 117200 19262 32827 76777JUNIO 3,37 171 129 225 452 68 46 135 282 60 40 38 49790 65513 131608 19799 39308 82109

PROMEDIO 3,49 172 124 210 448 68 48 129 286 60 39 36 51804 62982 135057 20435 38598 86106

La tabla se muestra el promedio de remoción en carga del prime r semestre, en total se removió una carga 31369 Kg/díade SST y 24384 Kg/día de DBO5, los análisis de las muestras son realizados en el laboratorio de la Pta r-Cañaveralejo.

Kg/día Kg/día

EFLUENTEPROMEDIO CARGA

PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS

mg/L mg/L % REMOCIÓN

EFICIENCIAS DE REMOCIÓNMES

CAUDAL DE

INGRESO

AFLUENTE EFLUENTEAFLUENTE

23

Tabla 4. Características y rendimientos de remoción Ptar-C año 2006 El Acuerdo de la CVC No. CD-046 del 19 de Diciembre de 1997, establece las cargas de DBO5 y SST para el quinquenio 98-2002 que EMCALI debe remover de sus vertimientos. Estas metas de reducción son: 31.3 ton/d para DBO5 y 51.7 ton/d de SST. 1.1.3. Balance de masas para la producción de biog ás (metano) con DQO. Teóricamente 1g/l de la demanda química de oxigeno (DQO) es igual a 350 ml de gas metano (CH4) seco a presión atmosférica y temperatura 0 ºC, para la planta aplica el anterior concepto.1 DQO = Demanda química de oxigeno. Q = Caudal promedio afluente. Factor de Conversión por temperatura (FCT):

FTC = 350*(273 + Temperatura en ºC)/273 FCT = 350*(273 + 25° C)/273

FCT = 382

Factor de Conversión por Presión (FCP): FCP = FCT*760/Presión (mmHg)

FCP = 382*760 mmHg/761 mmHg FCP = 381.5

Factor de Conversión por Humedad (FCH):

FCH = FCP*1000/(1000 – Presión de Vapor en mbars) FCH = 381,5ml °C*1000(1000 – 31.69 mmbars)

FCH = 394 ml CH4

1 JIMÉNEZ, Harold. Arranque y operación de flujo ascendente con manto de lado UASB: Manual de curso. Santiago de Cali: Universidad de Valle, CVC, Universidad Agrícola de Wageningen, 1997. p. 20-21.

SST SSV DBO5 DQO SST SSV DBO5 DQO SST DBO5 DQO SST DBO5 DQO SST DB O5 DQO

UNIDADES (m³/s) (m³/s) (m³/s)ENERO 0,95 2,83 3,78 172 123 208 456 78 59 156 322 55 25 29 56174 67931 148926 25474 50948 105163

FEBRERO 1,33 2,33 3,66 175 122 219 474 66 48 136 300 62 38 37 55339 69253 149890 20871 43006 94867MARZO 0,96 2,99 3,95 164 112 198 378 58 42 130 239 65 34 37 55970 67573 129004 19794 44366 81566ABRIL 1,04 2,76 3,80 167 118 230 415 59 43 134 240 65 42 42 54829 75514 136253 19371 43995 78797MAYO 1,01 2,62 3,63 192 131 226 483 55 39 127 281 71 44 42 60217 70881 151484 17250 39831 88131JUNIO 0,92 2,89 3,81 174 116 217 438 56 41 136 290 68 37 34 57278 71433 144183 18434 44769 95463

PROMEDIO 1,04 2,74 3,77 174 120 216 441 62 45 137 279 64 37 37 56635 70431 143290 20199 44486 90664

% REMOCIÓN Kg/día Kg/día

PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS

mg/L mg/L

AFLUENTE EFLUENTEPROMEDIO CARGA

La tabla se muestra el promedio de remoción en carga del prime r semestre, en total se removió una carga 36434 Kg/dia de SST, 25945 Kg/dia de DBO5 y 52626 Kg/día deDQO, los análisis de las muestras son realizados en el laboratorio de la PTAR-Cañaveralejo,

CAUDAL DE INGRESO

COLECTOR CENTRAL

IMPULSIÓNCAUDAL

DE INGRESO

EFICIENCIAS DE REMOCIÓN EFLUENTEAFLUENTEMES

24

Para la producción de biogás (metano) en la planta tenemos:

1g/l de DQO en la Ptar-Cañaveralejo = 394 ml CH4 El balance de masas para la remoción de materia orgánica se calcula realizando la diferencia entre el afluente y efluente de agua residual tratada en la planta.

DQO Efluente - DQO Afluente=(mg/L) Remición

Lmg

162 = L

mg279 -

Lmg

447=(mg/L) Remoción

Q×DQO =)(RCARGA POR REMOCIÓN Carga

smg

610740 = mL

1000 × s

m3,77 ×

Lmg

162=R 3

3

Carga

hrm

866,3 = ml10×1

1m ×

1hr3600s

× 1000mg

394ml × s

mg610740

=x 3

6

3

hrm

216,5 = Biogás de Digestores 4÷ hrm

866,333

díam

21000 diseño por biogás de Producción3

Vs.

díam

20784 teorica biogás de Producción3

De acuerdo a las eficiencias de remoción de la demanda química de oxígeno (DQO) en el primer semestre del 2006, la producción de biogás teórica esperada esta en el rango del diseño de la planta Ptar-Cañaveralejo.

25

1.1.4. Efecto ambiental. En cuanto al efecto ambiental, es claro que mayores remociones de contaminantes arrojados al rió Cauca permitirán una recuperación a menor plazo de este importante recurso hídrico. Evaluaciones preliminares realizadas por la CVC, permiten inferir que el oxigeno disuelto en el rió Cauca está entre 4 – 6% aproximadamente en el tramo más crítico del Río, la figura 2 muestra el efluente clarificado en un sedimentador primario. Figura 2. Efluente clarificado sedimentador primario 1.2. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA PLANTA PTAR-CAÑAVER ALEJO A continuación la tabla 5 presenta los criterios utilizados en el diseño de la planta. Tabla 5. Criterios de diseño de la Ptar-Cañaveralejo Año del Horizonte para el proyecto 2015 Área de influencia 9800 hectáreas Población 2`750.000 habitantes Caudal médio 7,6 m3/s Afluente DBO5 211 mg/L Afluente SST 180 mg/L Remoción de DBO5 Hasta 42%±5% en el Agua Residual Remoción de SST Hasta 63%±5% en el agua Residual Remoción de sólidos volátiles (SV) Hasta 43%±5% en el lodo digerido

26

2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS PROCESOS DE LA PTAR-C 2.1. DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE TTO La figura 3 representa de manera global los principales procesos involucrados en el tratamiento del agua residual y lodo primario en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 3. Procesos involucrados en el tratamiento

2.2. PROCESO DE TRATAMIENTO LÍNEA DE AGUA RESIDUAL 2.2.1. Colectores afluentes. A la planta de aguas residuales llega el colector central, por una tubería de 2,15m de diámetro la cual era la descarga más grande de aguas residuales hacia el río Cauca. Sobre este colector se ha construido la cámara de desvío hacia la planta, la cual está dotada de compuertas motorizadas que además de permitir el ingreso del agua a la planta también proveen un sistema de paso directo al río, en caso de emergencia.

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Igualmente llegan a la planta las líneas de Impulsión de las estaciones de bombeo de Cañaveralejo, Navarro y Aguablanca las cuales confluyen en una sola tubería de 2,0m de diámetro. La tabla 6 resume los caudales nominales de diseño que ingresan por cada una de las tuberías. Tabla 6. Caudales nominales de diseño que ingresan a la Ptar-Cañaveralejo Nombre Colector de Entrada Caudal (m3/s) Colector Central 2.20 Estación de Bombeo Cañaveralejo 1.92 Línea de impulsión Aguablanca – Navarro 3.48 TOTAL: 7.60

2.2.2. Mediciones de caudal. Al ingreso de las aguas residuales a la planta se toma registros de caudal en dos puntos; sobre la tubería de impulsiones de 2m de diámetro y también a la llegada del Colector Central. De esta manera se conocerá el caudal que ingresa a las unidades de tratamiento de manera permanente y continua. A continuación se muestra la figura 4 el esquema del proceso de tratamiento línea de agua residual. Figura 4. Esquema del proceso de tratamiento línea de agua residual

2.2.3. Rejas gruesas. Las aguas residuales llegan por impulsiones (estaciones de bombeo) y por gravedad (colector central), pasa por las rejas gruesas de limpieza automática para sólidos mayores a 76mm.

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2.2.4. Estación de bombeo. Conformado por cuatro bombas tornillo de Arquímedes, muestra la figura 5, con capacidad para 2m³/s c/u; elevan el agua del colector central hasta la superficie ganando cabeza hidráulica para seguir el proceso por gravedad. Figura 5. Sistema bombas tornillo de Arquímedes

2.2.5. Cámara de integración. En esta estructura se unen los dos flujos impulsiones y colector central. Donde se toma un muestreo de caudal de ingreso como pH, Temperatura, ST, SST, DBO, DQO. Como también se toma una muestra de sedimentación primaria con los conos imhoff del agua cruda para contabilizar los sólidos sedimentables en un determinado tiempo, el objetivo es medir su concentración en mg/L. 2.2.6. Rejillas finas. El caudal ingresado a la planta pasa luego por seis rejillas finas automáticas donde se separan los sólidos mayores a 20mm, la figura 6 muestra el sistema mecánico para separar sólidos. Figura 6. Sistema mecánico para separar sólidos

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2.2.7. Desarenadores. Eliminan arenas y material particulado pesado. Son seis desarenadores en el cual, las arenas por su densidad se precipitan y son trasladadas hasta los eyectores de arena por un tornillo recolector para ser succionadas hasta las tolvas separadoras de arenas, con una capacidad de 2m³/s y un tiempo de retención hidráulica del agua residual de 3 minutos, en la figura 7 se muestra un tanque desarenador. Figura 7. Tanque desarenador

2.2.8. Tipos de tratamiento. En el tratamiento de las aguas residuales existen diversas formas de descontaminación, aquí tenemos las más comunes: • Un tratamiento primario que puede ser físico o químico • Un tratamiento secundario de lodos activados y remoción de sólidos • Un tratamiento terciario de desinfección con aplicación de químicos

La combinación de un proceso químico y físico es otra alternativa de tratamiento de aguas residuales domesticas conocido como tratamiento primario avanzado (TPA), con la aplicación de floculantes (polielectrólito) y coagulantes (cloruro férrico), la figura 8 muestra el sistema de dosificación de químicos en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 8. Sistema de dosificación de químicos (TPA)

30

2.2.9. Tratamiento primario avanzado (TPA). En los desarenadores se inicia el TPA lugar donde se aplica Cloruro Férrico (coagulante) y polielectrólito (polímero floculante). El proceso de la planta consiste en un tratamiento primario avanzado en la cual se aplica producto químico como precipitante para mejorar el rendimiento de los tanques de sedimentación primaria. Importante anotar que mediante la coagulación, floculación se puede llegar a eliminar del 80 al 90% de la materia total suspendida, del 40 al 70% de la DBO5, del 30 al 60% de la DQO y del 80 al 90% de las bacterias. Cifras que pueden compararse con una sedimentación normal donde se remueve el 50 al 70% de la materia suspendida y 25 al 40% de la DBO5, la tabla 7 indica los porcentajes de remoción exigidos, de los parámetros fisicoquímicos en la Ptar-C. Tabla 7. Porcentajes de remoción SST, DBO5 y DQO exigidos

PARAMETRO% REMOCION

SIN TPA% REMOCION

CON TPADBO ≥ 25 42 ± 5SST ≥ 50 63 ± 5DQO ≥ 30 42 ± 3

2.2.10. Sedimentadores. Las aguas salen por dos tajeas (canales), hasta dos cadícas (cámara de distribución de caudal), donde se distribuye a ocho sedimentadores, como indica la figura 9. Son tanques compuestos por un brazo barredor de lodos en su interior y un brazo barredor de natas en su exterior, movidos por un mismo mecanismo. Figura 9. Sedimentadores primarios Ptar-Cañaveralejo

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El trabajo consiste en realizar la sedimentación por separación, acción de la gravedad de las partículas suspendidas que tienen un peso específico mayor que el del agua. Los materiales livianos flotan en la superficie y se retiran con el brazo barrenatas, los más pesados se van al fondo donde el brazo barredor de lodos los concentra, como se aprecia en la figura 10, son bombeados por motobombas de cavidad progresiva. Es una de las operaciones más utilizadas en el tratamiento de las aguas residuales. Se utiliza la decantación primaria, de los flóculos químicos empleando la coagulación química, y para la concentración de sólidos en los espesadores de lodos. Figura 10. Vista interna del sedimentador primario

El objetivo principal de la sedimentación es producir un efluente clarificado hacia el rió Cauca. Por dos tajeas rectangulares de 2,6 m cada una inicia en la zona de los desarenadores y termina en la orilla izquierda del río Cauca. Cuenta con un disipador de energía en el punto de descarga y a su vez produce un lodo cuya concentración de sólidos permite su fácil tratamiento y manejo, es muy importante tener en cuenta, para producir el efluente clarificado y lodo concentrado, se calcula el tiempo de retención hidráulica del agua residual en los sedimentadores, como se indica a continuación. Especificaciones de Sedimentador primario: Cantidad 8 sedimentadores Caudal de entrada al sedimentador 1,14 m³/s Volumen del sedimentador 8200m³

32

THR = Tiempo de Retención Hidráulica.

PLANTAENTRADA CAUDALORESSEDIMENTAD VOLUMEN

= THR

= /seg1,14m

8200m = THR 3

3

=3600seg

1hr × 7193seg=THR

2Horas=THR .

La producción de lodo en el año 2005 en la Ptar-C se indica en la siguiente tabla 8 y 9 respectivamente. Tabla 8. Volumen de lodo primario (sedimentadores) periodo enero-junio 2005

TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMP O DIA MES MÁXIMO MEDIO

HORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m ³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m ³/hr

ENERO 7,90 425,0 12750,0 76,94 53,80 7,89 337,00 10110,0 64,66 42,71 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00FEBRERO 7,20 411,0 12330,0 60,55 57,08 5,21 327,00 9810,0 63,77 62,76 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

MARZO 5,99 228,0 6840,0 55,93 38,06 5,98 233,00 6990,0 55,77 38,96 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00ABRIL 9,66 239,0 7170,0 42,75 24,74 5,19 221,00 6630,0 47,49 42,58 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00MAYO 7,97 120,0 3600,0 24,84 15,06 7,42 294,00 8820,0 52,03 39,62 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00JUNIO 7,11 81,0 2430,0 20,57 11,39 0,00 0,00 0,0 0,00 0,00 6,29 159,00 4770,00 32,28 25,28

TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMP O DIA MES MÁXIMO MEDIOHORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m ³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m ³/hr

ENERO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7,88 542,00 16260,00 110,88 68,78 7,86 562,00 16860,00 132,64 71,50FEBRERO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5,83 526,00 15780,00 112,87 90,22 5,91 526,00 15780,00 131,58 89,00


SEDIMENTADOR 8

Los valores de caudal corresponden a datos tomados del siste ma de supervision SCADA, el volumen se calcula con el caudal y el tiempo de trabajo de los equipos debombeo.

SEDIMENTADOR 2 SEDIMENTADOR 3 SEDIMENTADOR 4

MES

MES

SEDIMENTADOR 6 SEDIMENTADOR 7

33

Tabla 9. Volumen de lodo primario (sedimentadores) periodo julio–dic. 2005 La producción de lodo en el año 2006 en la Ptar-Cañaveralejo se indica en la siguiente tabla 10. Tabla 10. Volumen de lodo primario (sedimentadores) enero–junio 2006

TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIO TIEMP O DIA MES MÁXIMO MEDIOHORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m³/hr HORAS/DIA m ³ m³ m³/hr m³/hr

JULIO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 2,11 23,00 690,00 10,90 10,26 9,03 218,00 6540,00 36,87 24,14AGOSTO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,65 46,00 1380,00 27,88 25,38

SEPTIEMBRE 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,81 27,00 810,00 33,33 31,64OCTUBRE 6,84 208,00 6240,00 42,74 30,41 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

NOVIEMBRE 12,25 361,00 10830,00 57,40 29,47 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00DICIEMBRE 11,16 769,00 23070,00 88,55 68,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00


JULIO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 9,02 822,00 24660,00 103,65 91,13AGOSTO 3,97 111,00 3330,00 42,92 27,96 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 3,80 353,00 10590,00 101,95 92,89

SEPTIEMBRE 3,14 100,00 3000,00 49,53 31,85 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 3,28 306,00 9180,00 104,96 93,29OCTUBRE 2,14 66,00 1980,00 30,84 12,33 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,07 0,00 0,00 0,00 0,00

NOVIEMBRE 5,75 520,00 15600,00 90,43 75,04 9,16 805,00 24150,00 103,70 87,88 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00DICIEMBRE 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7,85 523,00 15690,00 90,85 66,62 5,99 539,00 16170,00 89,98 87,23

TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIOHORAS/DIA m³ m³ m³/hr m³/hr

JULIO 9,01 749,00 22470,00 98,43 83,13AGOSTO 3,84 328,00 9840,00 99,62 85,42

SEPTIEMBRE 3,33 304,00 9120,00 106,73 91,29OCTUBRE 8,92 207,00 6210,00 12,69 10,70

NOVIEMBRE 10,73 889,00 26670,00 107,47 82,85DICIEMBRE 8,06 637,00 19110,00 97,84 79,03


MES


Los valores de caudal corresponden a datos tomados del siste ma de supervisión SCADA, el volumen se calcula con el caudal y el tiempo de trabajo de los equipos debombeo.

MES

SEDIMENTADOR 7

MES


ENERO 11,89 1271,00 39397,70 93,71 52,95 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00FEBRERO 13,74 942,00 26380,10 119,33 68,56 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00



ENERO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 6,39 432,00 13386,00 73,54 67,61 6,34 642,00 19910,40 101,50 101,26FEBRERO 6,42 604,00 16919,60 71,35 25,18 9,70 562,00 15723,40 84,81 57,94 2,43 207,00 5792,00 85,19 40,95


TIEMPO DIA MES MÁXIMO MEDIOHORAS/DIA m³ m³ m³/hr m³/hr

ENERO 6,37 585,00 18121,00 94,59 91,84FEBRERO 8,60 625,00 17494,00 83,44 72,67

MARZO 7,24 505,00 15652,00 94,82 69,75ABRIL 9,80 652,00 19560,00 89,07 27,19MAYO 10,66 609,00 18879,00 80,00 57,13JUNIO 10,66 609,00 18879,00 80,00 57,13


MES

MES


NOTA: Durante el mes de mayo se notaron incoherencias en la le ctura de caudales en los medidores de flujo, por lo tanto se pr ocedió arevisar los caudalimetros en el mes de junio; por t al razón no hubo registro del caudal de lodo primar io.

SEDIMENTADOR 7

MES

34

2.3. PROCESO DE TRATAMIENTO DE LODO Después de la clarificación del agua residual para luego enviarla al rio Cauca, se realiza el tratamiento del lodo, en donde se lleva por diferentes etapas de la planta y de esta manera se extrae su energía (biogás). La figura 11 muestra el esquema de tratamiento de lodos de la Ptar-Cañaveralejo. Figura 11. Esquema de tratamiento de lodo primario

2.3.1. Triturador de sólidos. Como su nombre lo indica es un equipo de trabajo automático encargado de triturar sólidos mayores de 5 mm de espesor, instalados en la tubería de descarga de lodo primario, la figura 12 muestra el equipo instalado en la línea de lodos. Figura 12. Esquema de tratamiento de lodo primario

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

mezcla

Control de Olores en Todas las Unidades Generación Energía

Electricidad Para OperaciónFiltro Prensa

ST=22%

Almacenador

ST=5%

Espesador

ST=6%

TRITURADOR DE SÓLIDOS

REJILLA DE LODOS

Sedimentador

ST=2%

DISPOSICIONDISPOSICIONFINALFINAL

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

mezcla



ST=22%

Almacenador

ST=5%

Espesador

ST=6%


REJILLA DE LODOS

Sedimentador

ST=2%

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

mezcla

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

Digestor Gas

Calentamiento Lodos

mezcla


Electricidad Para Operación

Generación Energía


ST=22%

Filtro Prensa

ST=22%

Almacenador

ST=5%

Almacenador

ST=5%

Espesador

ST=6%

Espesador

ST=6%


REJILLA DE LODOS

Sedimentador

ST=2%


REJILLA DE LODOS

Sedimentador

ST=2%

Sedimentador

ST=2%

DISPOSICIONDISPOSICIONFINALFINAL

35

2.3.2. Rejilla de lodos primarios. Equipo de limpieza automática encargada de separar hilazas aglomeradas provenientes del bombeo de lodo primario, descarga los residuos a un tornillo transportador de desechos y los deposita sobre una tolva, la figura 13 muestra el equipo instalado en la línea de descarga de lodo primario. Figura 13. Rejilla de lodos primarios

2.3.3. Tanque espesador de lodos. Se elimina parte del agua de los lodos primarios por vertedero logrando un espesamiento más homogéneo y un brazo barredor de lodos deposita el lodo espesado en la succión de dos bombas de cavidad progresiva que operan por teleregulación a criterio del área de procesos, por baches o por volumen, la figura 14 muestra el tanque espesador de lodos. Figura 14. Tanque espesador de lodos

36

Especificaciones del tanque Espesador: Cantidad 1 Espesador Caudal de entrada espesador = 90 – 180 m³/hr Diámetro tanque espesador de lodo = 28m Altura tanque espesador de lodo = 4.75m Volumen útil del tanque espesador = 3322m³ Parámetros de pH = 6.2

ESPESADORENTRADA LODO CAUDALESPESADOR VOLUMEN

= THR

=hrm180

3322m = THR 3

3

HORAS 18 =THR .

Los sólidos totales se encuentran entre 0.5 – 2% en la línea de lodos primarios espesados. El tiempo de retención hidráulica de acuerdo a los parámetros de la planta está entre 18 - 36 horas, la tabla 11 y 12 muestra los parámetros fisicoquímicos del espesador del año 2005. Tabla 11. Parámetros fisicoquímicos espesador de lodos enero–junio 2005

MIN MAXENERO 5,30 6,30 5,35 2,97 0,56

FEBRERO 5,50 6,90 4,71 2,70 0,57MARZO 5,20 5,80 5,45 2,99 0,55ABRIL 5,30 6,70 5,92 3,22 0,54MAYO 5,40 7,20 5,26 2,87 0,55JUNIO 5,40 6,60 5,20 2,87 0,55

PROMEDIO 5,35 6,58 5,32 2,94 0,55Las características fisicoquímicas analizadas del lodo espesado, el muestreo serealiza en 2 horarios, en la mañana y en la tarde, estos valores son promediadospara el primer semestre.

MES pH % ST % SV SV/ST

37

Tabla 12. Parámetros fisicoquímicos del espesador de lodos julio–dic. 2005

MIN MAXJULIO 5,43 6,06 4,59 2,64 0,58

AGOSTO 5,53 6,00 2,65 1,61 0,61SEPTIEMBRE 5,20 6,60 3,80 2,30 0,61

OCTUBRE 5,26 7,60 8,30 4,43 0,53NOVIEMBRE 5,13 6,65 10,39 5,64 0,54DICIEMBRE 4,99 6,48 11,92 6,00 0,50

PROMEDIO 5,26 6,57 6,94 3,77 0,56Las características fisicoquímicas analizadas del lodo espesado, el muestreo serealiza en 2 horarios, en la mañana y en la tarde, estos valores son promediadospara el segundo semestre.


La tabla 13 muestra los parámetros fisicoquímicos en el primer semestre del año 2006 en la Ptar-Cañaveralejo. Tabla 13. Parámetros fisicoquímicos del espesador de lodos enero–junio 2006

MIN MAXENERO 5,13 6,31 5,85 3,38 0,58

FEBRERO 5,33 6,67 5,07 2,88 0,57MARZO 5,57 6,56 4,49 2,41 0,54ABRIL 5,67 6,54 4,82 2,61 0,54MAYO 5,63 6,82 4,96 2,74 0,55JUNIO 5,64 7,20 5,09 2,56 0,50

PROMEDIO 5,50 6,68 5,05 2,76 0,55La tabla muestra las características fisicoquímicas analizadas del lodo espesado,el muestreo se realiza en 2 horarios, en la mañana y en la tarde, estos valores sonpromediados.


2.3.4. Cálculo eficiencias de remoción de SST por concentración y carga. Balance de masas, teniendo en cuenta la cantidad de concentración de sólidos totales SST medidos en mg/L, respecto al caudal, la figura 15 muestra el esquema de los sólidos que se encuentran inmersos en el agua residual.

38

Figura 15. Esquema general de los sólidos suspendidos totales (SST)

Los residuos sólidos totales comprenden los sólidos disueltos y en suspensión; los sólidos disueltos son productos capaces de atravesar un papel de filtro, y los suspendidos los que no pueden hacerlo. Los sólidos en suspensión se dividen a su vez en depositables y no depositables, dependiendo del número de miligramos de sólido que se depositan a partir de 1 litro de agua residual en una hora. Todos estos sólidos pueden dividirse en volátiles y fijos, siendo los volátiles, por lo general, productos orgánicos y los fijos materia inorgánica o mineral. Remoción por concentración SST: Sólidos suspendidos totales entrada a la planta (SST) = 200 mg/L Sólidos suspendidos totales salida de la planta (SST) = 116 mg/L

100%*a)mg/LSST(entrad

)mg/LSST(salida-a)mg/LSST(entrad

42%=100%*200mg/L

116mg/L-200mg/L

SÓLIDOS TOTALES

SÓLIDOS SUSPENDIDOSSÓLIDOS DISUELTOS

VOLATILES FIJOS

ORGANICOS (C) INORGANICOS OMINERALES

SÓLIDOS TOTALESSÓLIDOS TOTALES

SÓLIDOS SUSPENDIDOSSÓLIDOS SUSPENDIDOSSÓLIDOS DISUELTOSSÓLIDOS DISUELTOS

VOLATILESVOLATILES FIJOSFIJOS

ORGANICOS (C) INORGANICOS OMINERALES

39

Remoción por carga: Tenemos en cuenta la entrada de flujo de agua a la planta. Caudal de entrada de agua promedio (Q) =3,34 m3/s Sólidos suspendidos totales entrada a la planta (SST) = 200 mg/L Sólidos suspendidos totales salida de la planta (SST) = 116 mg/L

CARGA=Q*SST

diakg

57715=mg10

1kg×

1hr24hr×3600s

×1m

1000L×

Lmg

200×s

m3.34 63

3

diakg

33474=mg10

1kg×

1hr24hr×3600s

×1m

1000L×

Lmg

116×s

m3.34 63

3

42%=100*a57715kg/di

a33474kg/di-a57715kg/di

Se demuestra que el cálculo de las eficiencias de remoción de sólidos suspendidos totales por carga o por concentración es el mismo resultado. Los análisis de las remociones que se realizan en el laboratorio de la Ptar-Cañaveralejo son por concentración, luego se calcula la cantidad de remoción por carga, la figura 16 muestra los sólidos suspendidos totales que se remueven del agua residual en el laboratorio de la Ptar-Cañaveralejo.

%CARGA

REMOCION = %IONCONCENTRAC

REMOCION

Figura 16. Prueba de laboratorio para medir sólidos suspendidos totales (SST)

40

2.3.5. Digestores anaerobios. La figura 17 muestra la estructura general de los digestores anaerobios en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 17. Digestor anaerobio

En la Ptar-Cañaveralejo la capacidad de los tanques es de 6200m³ en la actualidad la planta cuenta con cuatro digestores, de los cuales hay tres en funcionamiento. La alimentación del lodo, a los digestores es discontinua con un ciclo de bombeo de 24 minutos, y un volumen promedio bombeado de 350m3/día. La retención hidráulica de los lodos en los digestores para la producción de biogás es calculada de la siguiente forma. Especificaciones del Digestor: Caudal de entrada digestor = 350m³/día Volumen Digestor 6200m³ Tiempo de retención hidráulica = THR El rango de retención está entre 17 y 22 días

DIGESTORENTRADA CAUDALTANQUE CAPACIDAD

=THR

=/día350m

6200m=THR 3

3

Días 18=THR

41

La tabla 14 muestra los parámetros fisicoquímicos y eficiencias de remoción de sólidos volátiles en los digestores anaerobios de la Ptar-Cañaveralejo en el primer semestre del año 2005. Tabla 14. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores enero–junio 2005 La tabla 15 muestra los parámetros fisicoquímicos y eficiencias de remoción de sólidos volátiles en los digestores anaerobios de la Ptar-Cañaveralejo en el segundo semestre del año 2005.

ST SV SV/ST AGV DIGESTOR B

MIN MAX % % ALCHCO ALCHCO% EFICIENCIA REMOCIÓN SV

ENERO 313 7,1 7,5 3053 138 3,33 1,32 0,40 0,05 47FEBRERO 335 7,1 7,5 2781 147 3,30 1,35 0,41 0,05 48

MARZO 226 7,1 7,4 2911 131 3,37 1,41 0,42 0,05 41ABRIL 308 7,0 7,4 3055 155 3,33 1,40 0,42 0,05 39MAYO 307 6,9 7,7 2898 145 3,15 1,33 0,42 0,05 39JUNIO 303 7,1 7,4 2731 179 3,12 1,31 0,42 0,07 41

PROMEDIO 298,7 7,1 7,5 2904,8 149,2 3,27 1,35 0,41 0,05 43

ST SV SV/ST AGV DIGESTOR C


ENERO 313 7,0 7,2 3040 123 3,65 1,48 0,41 0,04 45FEBRERO 336 7,0 7,1 2807 141 3,39 1,48 0,44 0,05 42


PROMEDIO 291,3 7,0 7,5 2868,8 137,8 3,45 1,46 0,42 0,05 41

ST SV SV/ST AGV DIGESTOR E


ENERO 313 7,2 7,4 3032 123 3,43 1,38 0,40 0,04 46FEBRERO 336 7,1 7,3 2775 153 3,34 1,45 0,43 0,06 43


PROMEDIO 304,0 7,1 7,4 2884,0 127,2 3,45 1,44 0,42 0,04 42

El proceso de digestión se determina con la relación de sólidos volátiles de cada unidad de digestión y con la cantidad de biogásproducida. Los digestores cuentan con un medidor de volumen, en este semestre solo funciono el medidor del digestor C.

AGV mg/L

(CaCO )

DIGESTOR C

CARGUE m³/d

pH

MESCARGUE

m³/d

pH

ALCHCO mg/L

(CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor E durante el primer semestre.

ALCHCO mg/L

(CaCO )

DIGESTOR B

MESpH ALCHCO

mg/L (CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

CARGUE m³/d

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor C durante el primer semestre.

DIGESTOR E

MES

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor B durante el primer semestre.

3 3

3 3

3

3 3 3 3

3 3

3 3

3

3

42

Tabla 15. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores julio-dic. 2005



JULIO 297,0 6,9 7,4 2378,0 128,0 3,0 1,3 0,44 0,054 41AGOSTO 291,0 6,9 7,3 2210,0 118,0 2,6 1,2 0,47 0,053 42

SEPTIEMBRE 198,0 6,8 7,3 2210,0 118,0 2,6 1,2 0,47 0,053 42OCTUBRE 267,0 6,8 7,5 2054,0 117,0 2,1 0,9 0,44 0,057 31

NOVIEMBRE 177,0 6,9 7,2 2409,0 131,0 2,4 1,0 0,42 0,054 38DICIEMBRE 185,0 6,8 7,7 2675,0 161,0 2,9 1,2 0,41 0,060 32

PROMEDIO 235,8 6,8 7,4 2322,7 128,8 2,57 1,14 0,44 0,06 38



JULIO 299,00 6,89 7,42 2323,00 116,00 3,10 1,41 0,45 0,05 38AGOSTO 291,00 6,87 7,16 2149,00 105,00 2,75 1,28 0,47 0,05 43



PROMEDIO 586,8 6,9 7,4 2269,5 121,3 2,57 1,14 0,44 0,05 38



JULIO 299,00 6,89 7,42 2350,00 115,00 3,05 1,38 0,45 0,05 39AGOSTO 291,00 6,87 7,19 2230,00 115,00 2,75 1,27 0,46 0,05 44



PROMEDIO 212,7 6,9 7,4 2264,2 135,0 2,50 1,10 0,44 0,06 38

DIGESTOR B

MESCARGUE

m³/d

pH ALCHCO mg/L

(CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

DIGESTOR C

AGV mg/L

(CaCO )

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor B durante el segundo

MESCARGUE

m³/d

pH ALCHCO mg/L

(CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor E durante el segundo

El proceso de digestión se determina con la relación de sólidos volátiles de cada unidad de digestión y con la cantidad de biogásproducida. La producción de biogás durante el segundo semestre contabilizo un total de 324316 m³ en el digestor B, 320298 m³

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor C durante el segundo

DIGESTOR E

MESCARGUE

m³/d

pH ALCHCO mg/L

(CaCO )

3

3 3

3

3 3

3

3 3

3 3

3 3

3 3

La tabla 16 muestra los parámetros fisicoquímicos y eficiencias de remoción de sólidos volátiles en los digestores anaerobios de la Ptar-Cañaveralejo en el primer semestre del año 2006.

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Tabla 16. Parámetros fisicoquímicos y eficiencias digestores enero-junio 2006


MIN MAX % % ALCHCO ALCHCO % EFICIENCIA REMOCIÓN SV

ENERO 271 7,1 7,5 2705 140 3,13 1,30 0,42 0,05 48FEBRERO 326 7,1 7,3 2631 150 3,12 1,33 0,43 0,06 43


PROMEDIO 328,2 7,0 7,3 2450,3 128,3 3,05 1,29 0,42 0,05 39



ENERO 271 7,2 7,31 2714 125 2,89 1,21 0,42 0,05 47FEBRERO 326 7,1 7,3 2648 140 2,80 1,18 0,42 0,05 45


PROMEDIO 328,2 7,0 7,3 2430,5 122,3 2,70 1,13 0,42 0,05 38



ENERO 191 7,15 7,45 2770 121 3,24 1,36 0,42 0,04 47FEBRERO 326 7,11 7,29 2601 132 3,08 1,31 0,43 0,05 44


PROMEDIO 314,3 7,0 7,3 2447,7 124,0 3,04 1,27 0,42 0,05 40

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor C durante el primersemestre.

DIGESTOR E

MESCARGUE

m³/d

pH

MESCARGUE

m³/d

pH

DIGESTOR B

MESpH ALCHCO

mg/L (CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

CARGUE m³/d

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor B durante el primersemestre.

El proceso de digestión se determina con la relación de sólidos volátiles de cada unidad de digestión y con la cantidad debiogás producida. Los digestores cuentan con un medidor de volumen, en este semestre solo funciono el medidor deldigestor C.

AGV mg/L

(CaCO )

DIGESTOR C

ALCHCO mg/L

(CaCO )

AGV mg/L

(CaCO )

La tabla se muestra las características físico químicas y la eficiencia de remoción en SV del digestor E durante el primersemestre.

ALCHCO mg/L

(CaCO )

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3 3

3 3

3 3

Los parámetros de control de los digestores, son los siguientes: PH (6,8 Y 7.0), SST (0.5 Y 2.0%), alcalinidad carbonatica, ácidos grasos volátiles (150-200 mg/l).

44

2.3.5.1. Microbiología del proceso digestión anaero bia. En el proceso de la digestión anaerobia, la materia orgánica contenida en la mezcla de lodos primarios y biológicos se convierte en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), bajo condiciones anaerobias. El proceso se lleva a cabo en un digestor completamente cerrado. Los lodos se introducen en el digestor de forma intermitente y permanece en su interior durante un periodo de retención hidráulica variable. Los lodos estabilizados, que se extraen del proceso tienen un bajo contenido en materia orgánica y patógena y no es putrescible. La conversión biológica de la materia orgánica de los lodos se produce en tres etapas: • Hidrólisis. El primer paso del proceso comporta la transformación por vía enzimática de los compuestos de alto peso molecular en compuestos que puedan servir como fuentes de energía y de carbono celular. • Acido génesis. El segundo paso implica la conversión bacteriana de los compuestos producidos en la primera etapa en compuestos intermedios identificables de menor peso molecular. • Metanogénesis. El tercer paso supone la conversión bacteriana de los compuestos intermedios en productos finales más simples, principalmente metano y dióxido de carbono. En un digestor, la conversión de los lodos orgánicos y de los residuos se lleva a cabo mediante la acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Un grupo de microorganismos se ocupa de la hidrolización de los polímeros orgánicos y de los lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos, los aminoácidos y los compuestos relacionados con éstos. Un segundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos de la descomposición para producir ácidos orgánicos simples, de los que él se presenta con mayor frecuencia en los digestores orgánicos es el ácido acético. Este grupo de microorganismos, que reciben el nombre de no metanogénicos, está formado por bacterias facultativas y anaerobia estrictas, aunque de forma colectiva se conocen como bacterias formadoras de ácidos. Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrogeno y el ácido acético, originado por las bacteria formadoras de ácidos, en gas metano y en dióxido de carbono. Las bacteria responsables de este proceso son anaerobias estrictas y se

45

las conoce como metanogénicas formadoras de metano. Muchos de los organismos metanogénicos identificados en los digestores anaerobios son similares a los encontrados en los estómagos de los animales rumiantes y en sedimentos orgánicos tomados de lagos y ríos. Los principales géneros de microorganismos que se han identificado incluyen los bastoncillos (Methanobacterium, Methanobacillus) y las esferas (Methanococcus, Methanosarcina), las bacterias más importantes de este grupo, que son las que degradan el ácido acético y el ácido propiónico, tienen tasas de crecimiento muy lentas, razón por la cual se considera que su metabolismo es un factor limitante del tratamiento anaerobio de los residuos orgánicos. En la digestión anaerobia, la estabilización se alcanza cuando se produce metano y dióxido de carbono. El gas metano así producido es altamente insoluble, y su desprendimiento de la solución representa la estabilización real del residuo. Es importante notar que las bacterias generadoras de metano solo pueden emplear determinados substratos para llevar a cabo su función. Se sabe que las sustancias que sirven como sustrato a los organismos metanogénicos son: CO2+H2, acetato, metanol, metilaminas y monóxido de carbono. 2.3.6. Condiciones de digestión. Las condiciones para la obtención del metano en un digestor son las siguientes: • No debe haber presencia de oxigeno • Materia orgánica (sólidos volátiles) • Los lodos deben estar bien homogéneos y lo mas particularizado posible • Equilibrio entre carbono y nitrógeno Temperatura. Factor importante en la producción de biogás, dado que se debe medir las condiciones optimas para minimizar los tiempos de producción. La temperatura óptima es de 35 a 38 °C de los lodos en el interior del digestor anaerobio. Acidez. Este factor indica cómo se desenvuelve la fermentación. Se mide con un valor de pH entre 6,8 y 7,2. Por encima de este número significa alcalinidad y por debajo significa, acidez. Cuando los valores superan el pH 8, esto indica una acumulación excesiva de compuesto alcalino y la carga corre riesgo de putrefacción. Los valores inferiores a 6 indican una descompensación entre las fases acidas y metanogénicas, pudiendo bloquearse esta última.

46

Alcalinidad. La alcalinidad es una medida directa de la capacidad de un digestor para resistir una caída del pH. Representa la capacidad de neutralizar los ácidos producidos por las bacterias formadoras de ácidos, como también, cualquiera de las condiciones ácidas presentes en los lodos de alimentación. La relación AV/Alc óptima es la que genera la mayor producción de gas y la que mantiene un pH estable. Los cambios en las concentraciones de ácidos volátiles y de la alcalinidad son los primeros cambios que pueden ser observados cuando se empieza a deteriorar el proceso de digestión. La alcalinidad del agua residual es provocada por la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio el magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. Normalmente el agua residual es alcalina propiedad adquirida de los materiales añadidos en los usos domésticos; la alcalinidad en el agua residual es importante en los casos donde se empleen tratamientos químicos. Calidad de los sólidos volátiles. Para mejorar la producción de metano de los digestores, es conveniente mejorar de los SV, es decir que nuestra mezcla de lodos se encuentre balanceada la cantidad de Carbono/Nitrógeno, que sea homogénea en cuanto no hayan impurezas como trozos de materia mayores a 1cm³, que se encuentre con niveles de pH balanceados y que posea una alta cantidad de organismos metanizantes. Los digestores no solo tienen en cuenta la temperatura del lodo, o el pH, sino la cantidad y calidad de SV que se ingresa. Presión de trabajo para la descomposición metánica. Otro factor a tener en cuenta, aunque solo afecta al proceso en circunstancias muy particulares, es la presión; a presiones del orden de 700 Kgf/cm2, los microorganismos aún cumplen su proceso metabólico aunque muestran grandes dificultades para desarrollar su tarea, en cambio a presiones menores que la atmosférica, por debajo de -0,35 Kgf/cm2, el proceso de metanización se detiene. A los efectos prácticos, para las condiciones usuales de presión a que se realiza la fermentación metánica, entre 0.25 y 0.7 Kgf/cm2 de presión absoluta, la destrucción de sólidos volátiles es del orden del 60%, en las condiciones optimas de temperatura y pH, para tiempos de retención entre 15 o 21 días. Sulfuro de hidrogeno (H 2S). El sulfuro de hidrogeno se forma durante el proceso de composición por la materia orgánica que contiene azufre, o en la reducción de sulfitos y sulfatos minerales, mientras que su formación queda inhibida en presencias de grandes cantidades de oxigeno. Es un gas incoloro, inflamable, con un olor típicamente característico que recuerda al de huevos podridos. El ennegrecimiento del agua residual y del fango se debe, generalmente a la formación de sulfuro de hidrogeno que se combina con el hierro presente para formar sulfato ferroso (FeS) u otros sulfuros metálicos. Desde el punto de vista de la generación de olores, y aunque el sulfuro de hidrogeno es el gas generado de

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mayor importancia pueden formarse durante la descomposición anaerobia otros compuestos volátiles, que pueden ser responsables de olores más desagradables que los producidos por el sulfuro de hidrogeno. Este compuesto debe ser eliminado no solo porque es venenoso, sino que acelera el fenómeno de oxidación de una manera increíble, envejeciendo toda la instalación, esto se elimina fácilmente con un filtro de viruta de hierro y madera instalado en un sistema de purificación de biogás donde también se dosifica soda cáustica para sostener el pH y regenerar la viruta del purificador. Metano (CH 4). El principal subproducto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residual es el gas metano; es un hidrocarburo combustible de alto valor energético, incoloro e inodoro. Normalmente, no se encuentra en grandes cantidades en el agua residual, puesto que incluso pequeñas cantidades de oxigeno tienden a ser toxicas para los organismos responsables de la producción del metano. No obstante, en ocasiones se produce metano como resultado de un proceso de descomposición anaerobia que puede darse en depósitos acumulados en el fondo. Debido a que el metano es sumamente combustible, ya que el riesgo de explotación es elevado, los pozos de registro y empalmes de alcantarillas o cámaras de colección en los que exista el riesgo de acumulaciones de gas deberán ser airados con un ventilador portátil antes y durante los lapsos de tiempo en que los operarios trabajen en ellos. Sugerencias sobre seguridad. La operación de los digestores atañe distintos peligros. No obstante vale la pena insistir que si se toman en cuenta las debidas precauciones, los problemas potenciales quedan solucionados. Cuidar que no se produzcan mezclas de gas con el aire. Si se producen en la proporciones de 1:5 a 1:15, la combustión puede comenzar por una chispa producida por un interruptor de luz, una herradura, cigarrillo encendido, destellador fotográfico, etc. Cuando se pone en marcha, la red de distribución está llena de aire, que hay que eliminar. Después de haber purgado el gasómetro o el digestor, de los primeros gases generados, cuando ya se tiene la producción normal, hay que dejar correr el gas por todas las tuberías y dejarlo escapar a la atmósfera, antes de intentar encenderlo. Es aconsejable la ventilación en el ambiente dado que la toxicidad del biogás es muy parecida a la del gas natural. Mantener siempre presión positiva en el digestor, gasómetro y línea de distribución. Este es para evitar la entrada de aire o un posible retroceso de llama frente a cualquier duda que pueda indicar la posibilidad de un retroceso de llama, hay que colocar trampas de llama, o matafuegos, en líneas próximas a los lugares de combustión. Periódicamente constatar la inexistencia de pérdidas en la línea de gas, en todas las uniones, acoplamientos, válvulas, etc., de la instalación. Asegurar la eliminación de H2S (ácido sulfhídrico), sea para evitar su acción tóxica, y corrosiva, ya que esto último

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a la larga origina pérdidas, en la figura 17 se muestra el sistema de seguridad en la cúpula de los digestores de la Ptar-Cañaveralejo. Figura 18. Sistema de seguridad de los digestores anaerobios

2.3.7. Sistema de agitación y recirculación de lodo . Los digestores cuentan con un sistema interno de agitación, realizado por compresores de paletas con un caudal de 930m³/hr, el cual recircula biogás en un sistema cerrado por medio de 20 cañas homogenizando el lodo. El objetivo del sistema de agitación es hacer que el lodo no se sedimente, conservar el mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación de costras, uniformar la densidad bacteriana y evitar los espacios muertos, la figura 19 muestra el sistema de interno de agitación de lodos en digestores y compresores de paletas. Figura 19. Sistema interno de agitación digestores y los compresores

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La recirculación de lodos en los digestores se realiza por medio de bombas centrifugas con un caudal de 52m³/hrs que operan las 24hr. El objetivo es recircular el lodo del digestor por los intercambiadores de calor para ganar temperatura y conservar el grado de equilibrio dentro del digestor, la figura 20 muestra las motobombas de recirculación de lodos de la planta. Figura 20. Motobombas de recirculación de lodos 2.3.8. Tanque almacenador de lodos. Los lodos digeridos son extraídos de los digestores y antes de pasar a deshidratación son almacenados en el tanque almacenador de los lodos; este tanque tiene las estructuras y dimensiones similares a los digestores, el tanque está provisto de una tubería de entrada de los digestores y una de salida a deshidratación. Cuenta con una cámara de reboce en la parte superior que conecta con la tubería de salida de lodos. El tanque posee dos agitadores para mantener los lodos homogéneos y evitar la sedimentación en el fondo del tanque, su altura disponible de operación está entre la cota de 959,5m y 966,5m; para un volumen útil de almacenamiento de 4274m³, la figura 21 muestra el almacenador de lodos digeridos de la Ptar-Cañaveralejo.2 Figura 21. Almacenador de lodos digeridos

2 EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI. Programa de entrenamiento planta Ptar-C de Cañaveralejo: Modulo 3, Santiago de Cali: EMCALI E.I.C.E – E.S.P, 2001. p. 41-42.

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2.3.9. Deshidratación de lodos. El lodo digerido se deshidrata mediante la utilización de 6 filtros prensa de banda. La cantidad el lodo deshidratado se estima, al inicio de operación de la planta, en 100m³ diarios. La humedad de lodo digerido a la entrada del proceso estará alrededor del 4%; se espera deshidratarlo al 22% aproximadamente. El lodo deshidratado podrá ser utilizado en varias aplicaciones, entre otras, como por ejemplo, uso agrícola, compost, recuperación de suelos erosionados, materiales de construcción, aplicación en el terreno, o como material de cobertura en el futuro relleno sanitario de la ciudad. En la actualidad EMCALI lleva a cabo una serie de estudios previos con el fin de definir las opciones a utilizar en el inmediato corto y largo plazo, la figura 22 muestra los equipos de deshidratación de lodos digeridos. Figura 22. Sistema filtro prensa de banda

2.3.10. Sistema control de olores. Con el fin de evitar posibles molestias a la comunidad debido a la concentración de las aguas residuales, la planta cuenta con un sistema de control de olores compuestos por dispositivos que encierra las estructuras para confinar en ellas el aire contaminado, tuberías y extractores de aire, ventiladores y un lecho biológico para degradar las sustancias generadas de olor, la figura 23 muestra el sistema control de olores biológico instalado en la Ptar-Cañaveralejo.

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Figura 23. Sistema biológico control de olores

2.4. LÍNEA DE BIOGÁS El gas producido durante la digestión se estima por diseño aproximadamente de 21.000m³/día. Este gas es acondicionado, libre impurezas y previamente secado; es utilizado, para mezcla y agitación del lodo en los digestores y como combustible primario en la generación de aproximadamente 2MW con dos moto/generadores, la tabla 17 indica la producción y consumo de biogás para el año 2006 en la Ptar-Cañaveralejo. Tabla 17. Producción y consumo de biogás año 2006

ExcesoDigestor

ADigestor

BDigestor

CDigestor

EAlmacenador

DVolumen total

producidoGene.1 Gene.2 Calentador

Volumen total consumido

Quemado

Unidad m3 m3 m3 m3 m3 m3 m3 m3 m3 m3 m3ENERO 0 158309 15736 108156 0 282201 0 0 101792 101792 180409

FEBRERO 0 136476 54407 85845 0 276728 0 0 100543 100543 176185MARZO 0 97792 58525 82672 0 238989 0 0 106545 106545 132444ABRIL 0 99675 95654 66135 0 261464 0 0 108532 108532 152932MAYO 0 145827 58213 71295 0 275335 0 0 113219 113219 162116JUNIO 0 107239 148559 38213 0 294011 0 0 109797 109797 184214JULIO 0 142879 94826 54958 0 292663 0 0 115177 115177 177486

AGOSTO 0 149655 51644 38729 0 240028 0 0 112716 112716 127312SEPTIEMBRE 0 140976 52317 51165 0 244458 0 0 105806 105806 138652

OCTUBRE 0 123169 39517 56171 0 218857 0 0 31993 31993 186864NOVIEMBRE 0 113833 0 71274 0 185107 0 0 29970 29970 155137DICIEMBRE 89510 74602 0 65374 0 229486 0 0 53408 53408 176078

TOTAL 89510 1490432 669398 789987 0 3039327 0 0 1089498 1089498 1949829PROM. MES 7459 124203 55783 65832 0 253277 0 0 90792 90792 162486

PROM. DIARIO 245,2 4083,4 1834,0 2164,3 0,0 8326,9 0,0 0,0 2984,9 2984,9 5342,0PROM. HORA 10,2 170,1 76,4 90,2 0,0 347,0 0,0 0,0 124,4 124,4 222,6

Nota: La baja producción de biogás en el Digestor A se debe a que ingresa en servicio a partir del mes de diciembre del 2006 hasta la fecha.

Producción de Biogás Consumo de gasMES

CUBIERTA EN ALUMINIO

EXTRACTOR

SEDIMENTADORES PRIMARIOSY DESARENADORES

TUBERIA

FILTRO BIOLOGICO

CUBIERTA EN ALUMINIO

EXTRACTOR

SEDIMENTADORES PRIMARIOSY DESARENADORES

TUBERIA

FILTRO BIOLOGICO

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Se puede estimar teóricamente que 0,75 – 1m³ de CH4, lo produce la destrucción de 1Kg de SV en los digestores. Promediando 0,875m³ de CH4 equivale a 1Kg de SV destruido.

=100×TESSV AFLUENEFLUENTESSV -TESSV AFLUEN

=REMOCIÓN %

62%=100×120mg/L

45mg/L-120mg/L=REMOCIÓN % (Tabla 4)

Remoción de SSV por carga.

=86,4× Afluente)Caudal×Remoción %×nte(SSV Aflue=díakg

SSV Carga

díakg

24234=86,4×3,77m³/s)×0,62×(120mg/L=SSV Carga

Eficiencia digestor promedio = 39% ver (Tabla 16) Producción de 3 digestores.

=promedio Eficiencia×SSV Carga=SV Carga

díakg

9451 =0,39 × díakg

24234=SV Carga

44 CH 8270m³/día=SV kg 1

SV kg 9451×CH 0,875m³

44 CH 2757m³/día =

digestores 3CH 8270m³/día

44 CH 115m³/hr =

24horasCH 2757m³/día

El cálculo teórico de 115m³/hr producción de biogás, está acorde a la producción real de Ptar-Cañaveralejo durante el año 2006 indicada en la tabla 17, la figura 24 muestra el horno donde se calcula la materia orgánica que se volatiliza a 550 °C, quedando los sólidos fijos; los sólidos volátiles se convierten en energía.

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Figura 24. Mufla y crisol con muestra de lodo La figura 25 muestra el indicador mensual de la producción de biogás en la Ptar-Cañaveralejo durante el año 2006. Figura 25. Indicador mensual producción de biogás año 2006 La producción de biogás disminuye cuando el proceso de tratamiento de aguas residuales en la Ptar-Cañaveralejo trabaja sin adición de químicos (TPA), además por el mantenimiento realizado a cada digestor, durante el mes 10 y 11 se sacó de servicio el digestor C para su respectivo mantenimiento.

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2.4.1. Sistema de purificación del biogás. El biogás producido en los digestores pasa a través de purgas donde se retira el condesado presente en el biogás. Una parte del biogás se dirige a los compresores de agitación de lodo. La función de los purificadores es remover el H2S (ácido sulfhídrico) del biogás protegiendo contra la corrosión, el sistema de almacenamiento, transporte y aprovechamiento del biogás. El H2S es removido formando sulfuro férrico, esta reacción se realiza con esponja de hierro hasta llegar hasta su saturación, se agrega aire y la esponja de hierro se regenera produciendo una reacción entre oxigeno y sulfuro férrico produciendo oxido férrico y azufre, la figura 26 muestra el sistema de purificación de biogás instalados en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 26. Sistema purificador de biogás 2.4.2. Tanques de almacenamiento del biogás. Después de pasar por el sistema de purificación de biogás, el combustible es almacenado en 2 tanques con capacidad máxima de 1000m³ cada uno y una presión de trabajo de 250mm.c.a, la figura 27 muestra los tanques de almacenamiento del combustible. Figura 27. Tanques de almacenamiento del biogás

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2.4.3. Quemadores de biogás. El exceso de biogás es consumido por dos quemadores que operan en forma automática, con una capacidad máxima de 550m³/hr y una presión del biogás de 200mm.c.a, la figura 28 muestra los quemadores instalados en la planta. Figura 28. Quemadores de biogás

2.4.4. Humedad del biogás. Las características naturales de generación del biogás hacen que este sea un gas naturalmente húmedo y que en las tuberías se almacene un elevado porcentaje de humedad, esta humedad no siempre es conveniente ya que disminuye 1 caloría por m³, produce oxidación de materiales y además obstruye tuberías, por lo que es conveniente su eliminación si queremos comprimir el biogás. Una forma de hacerlo es mediante filtro de silicato de silicio llamado comúnmente silicagel, la tabla 18 muestra la caracterización del biogás producido en la Ptar-Cañaveralejo. Tabla 18. Características del biogás (metano)

60 - 70%

25 - 30%

< 200 ppm

10%36,8Humedad promedio en el biogás (ml/m³):

Concentración en volumen por diseño de CH4

Otros gases

Concentración de volumen por diseño de CO2

Concentración de H2S

La humedad permisible en el proceso de combustión de los motores de combustión interna que funcionan con combustibles gaseosos (biogás), es de 1ml/m³. El cálculo de humedad del biogás en la Ptar-Cañaveralejo se realizo mediante aforos de muestreos en la línea de biogás durante el proceso de secado del combustible.

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2.4.5. Sistema secador de biogás. El sistema de secado tiene por objetivo la reducción de la humedad del combustible en que entra a los moto/generadores de energía, durante el proceso de secado este equipo tiene la capacidad de separar los condesados generados por el combustible, la figura 29 muestra el sistema de secado del biogás de la Ptar-Cañaveralejo. Figura 29. Sistema secador de biogás

La tabla 19 muestra los datos técnicos de funcionamiento del secador de biogás. Tabla 19. Datos técnicos de funcionamiento secador de biogás

Datos de funcionamiento

Tiempo de funcionamiento 8760 horas/año Operación Automática Presión 20mbar - 200mm.c.a Saturación del biogás 100% Ambiente Temperatura ambiente 24 °C Temperatura ambiente máxima 50 °C Humedad relativa 74% promedio Altitud 956m s.n.m Ubicación (interior / exterior) Interior Características principales Nombre integrador del sistema TEFA INDUSTIES País de fabricación Francia Componentes del sistema 1 secador/separador Circuito intermedio 1 de enfriamiento Circuito frigorífico 2 independientes

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Calentador de biogás 2 sistemas Variación del caudal de biogás 0 a 1000 Nm3/h Presión de entrada 1033 mbar abs. Presión máxima de entrada biogás 1.5 bar abs. Temperatura del gas a la entrada 25 a 35 °C Temperatura del gas a la salida 3 °C Temperatura gas calentado 20 °C Diámetro de entrada biogás DN 150 Diámetro de salida de biogás DN 150 Dimensiones del skid 2900x2400x2440mm Peso total del sistema 1750kg aprox.

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3. SISTEMA DE COGENERACIÓN PTAR-CAÑAVERALEJO El aprovechamiento máximo del potencial energético del biogás, se logra gracias al funcionamiento del sistema de cogeneración instalado en la planta, compuesto por dos motores de combustión interna con suficiente potencia para el abastecimiento de la energía eléctrica y calórica necesaria en la operación y proceso de la planta. 3.1. COGENERACIÓN CON MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 3.1.1. Ciclo de Otto. El ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama P-v, se caracteriza por aspirar una mezcla aire/combustible (biogás o gas natural). El motor Otto es un motor alternativo; dentro de sus componentes mecánicos trabaja con pistón-cilindro, válvulas de admisión y válvulas de escape. Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal, por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos, la figura 30 muestra un diagrama esquemático P-v para una maquina de encendido por chispa de cuatro tiempos. Figura 30. Diagrama P-v para el ciclo de Otto

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3.1.2. Características de los motores de combustión interna. El conjunto cilindro – pistón y el mecanismo biela – manivela son los componentes esenciales de estos motores alternativos. En la cámara de combustión formado por la culata y el pistón en las proximidades del punto muerto superior tiene lugar el proceso de combustión produciéndose a continuación la expansión de los gases que acciona el pistón, el movimiento alternativo del pistón es transformado en movimiento rotativo en el eje por un mecanismo biela - manivela. Se caracterizan por: Motor de explosión. En este tipo de motores se introduce en el cilindro la mezcla carburada del aire y el combustible. La compresión se efectúa sobre la mezcla y el encendido tiene lugar mediante una chispa eléctrica. Motor de cuatro tiempos. Son aquellos en los que el ciclo completo de paso del fluido por el motor se produce en dos carreras de ida y dos de vuelta del pistón. Los cuatro tiempos, suficientemente conocidos, son: admisión, compresión (combustión), expansión y escape. La presión de admisión del fluido al motor. Pueden ser sobrealimentados o no, en función de la presión a la que entrará la mezcla carburada (explosión) o el aire (diesel). El objeto de la sobrealimentación es básicamente incrementar la potencia de los motores. En los motores sobrealimentados el aire una vez comprimido se acostumbra a refrigerar con objeto de posibilitar una mayor elevación de la potencia del motor sin elevar las cargas térmicas. El número de revoluciones del motor. El número de revoluciones, en relación inversa con el diámetro del émbolo, deberá estar ligado al número de horas que ha de trabajar al año. En instalaciones con pocas horas de funcionamiento al año se requerirán motores en torno a los 1500 - 3000 r.p.m., estos motores son sensiblemente más baratos que los de baja velocidad de giro y ocupan poco espacio pero su vida es corta (20.000h). En aquellas instalaciones que funcionen un gran número de horas se recomienda para grandes potencias entre 400 y 750 r.p.m. y entre 750 y 1500 r.p.m. para medianas potencias, sus costos son sin embargo más elevados y su vida más larga (60.000h). Rendimiento. El rendimiento termodinámico, que aumenta con la relación de compresión, especialmente en los motores de explosión. Aunque para relaciones de compresión iguales, el rendimiento termodinámico es mayor. Las pérdidas de carga en las válvulas de aspiración y escape, las pérdidas de calor a través de la superficie del motor, el reciclado de una parte de los gases quemados de un ciclo al siguiente y la duración de la combustión. En general las pérdidas de calor por las paredes del motor son mayores en motores pequeños que en motores

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grandes. Los motores de combustión interna alternativos (MCIA), son de gran interés para la cogeneración. Se caracterizan por su versatilidad, ya que pueden utilizar combustibles de distinta calidad y están disponibles en el mercado en un amplio rango de potencias, existiendo varios fabricantes. Los adelantos de los últimos años en la recuperación del calor eliminado, conjuntamente con el elevado precio de la energía, han permitido la utilización cada vez más frecuente de los MCIA en instalaciones de cogeneración. En un MCIA aproximadamente el 30 al 35% de la energía que aporta el combustible se convierte en trabajo en el eje. La energía restante es eliminada en forma de calor o energía térmica de los gases de escape, además de una pequeña proporción perdida por radiación. La fuente más conveniente de calor recuperable es la correspondiente al agua de enfriamiento de las camisas, que es utilizable prácticamente en su totalidad. La segunda fuente de calor recuperable es el escape, del cual aproximadamente el 60% es económicamente recuperable. Hay una tercera fuente de calor recuperable, aunque ya de menos importancia, que es el calor del circuito de lubricación del motor, y por último (en los motores sobrealimentados, que representan la gran mayoría de aplicaciones para cogeneración con MCIA) el calor del intercooler (refrigerador del aire de admisión después del turcargador). La relación calor/electricidad es próxima a la unidad. El mayor porcentaje de calor útil producido corresponde al circuito de enfriamiento, un 35 al 40%, en segundo lugar los gases de escape, un 20 al 25%. La contribución del circuito de aceite es mucho menor, alrededor de un 5%. La potencia en el eje puede emplearse para generar electricidad, o bien mover una bomba, accionar un compresor o para cualquier otra carga. El calor recuperado puede utilizarse para diversos usos, tales como: calefacción industrial o de un edificio, secado, suministro de agua caliente para usos domésticos, en la refrigeración mediante frigoríficos de absorción e incluso, para la producción de vapor a baja presión. Las oportunidades en el mercado para la aplicación de la cogeneración con este tipo de motores son prácticamente ilimitadas. Edificios de oficinas, hoteles, hospitales, centros comerciales y también instalaciones industriales ofrecen un excelente potencial para la aplicación de los MCIA.

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• Sistema de admisión motor de combustión interna. Los componentes son los siguientes: Regulador del turbocompresor. El regulador tiene la misión de limitar la presión de soplado del turbocompresor, con el fin de evitar sobrecargas en el motor. Suele ser de una válvula de mariposa accionada por un diafragma que mide la presión de aire de turbocompresor y realiza un bypass- de este aire al filtro de entrada, limitando así la presión. Enfriador de aire (intercooler). El enfriador aire/agua, generalmente de tubos aleteados, tiene como misión enfriar el aire que se ha calentado en el turbocompresor, al aumentar su presión. De esta forma aumenta la densidad del aire de admisión y puede así entrar mayor cantidad de aire/gas a los cilindros. Como resultado se obtiene un rendimiento mayor y se produce más potencia para un desplazamiento (cilindrada) dado. Carburador y colector de admisión. El carburador efectúa la mezcla aire/gas en la relación deseada. La mezcla obtenida pasa al colector de admisión y de aquí a cada cilindro, donde tiene lugar la combustión. Sistema de regulación gas/aire. La regulación gas /aire del sistema de combustión consiste en un regulador de presión de gas y un carburador que realiza la mezcla. Circuito de salida de los gases de escape. Los gases de escape salen de las cámaras de combustión (cilindros) a través de las válvulas de escape, Que están situadas en las culatas. Dichas válvulas abren después de haberse producido la explosión y en la carrera ascendente el pistón empuja los gases al colector de escape, que suele estar refrigerado por agua. En los motores sobrealimentados. Los gases de escape pasan luego a través del turbocompresor donde se aprovecha su energía cinética para comprimir el aire de admisión. Por último, salen a la atmósfera por el conducto de escape, que dispone de acoples flexibles para absorber las dilataciones que se producen por efecto de las altas temperaturas existentes. Se coloca también un silenciador para atenuar los ruidos que se producen en todo motor de explosión. La contrapresión de los gases de escape influye de manera importante en el rendimiento de los motores; a mayor contrapresión, menor es el rendimiento. Por

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ello, es necesario que los conductos de gases hasta la salida sean lo más cortos posible y que los codos tengan radios amplios. Por último es necesario tener presente que los conductos de escape se realizarán individualmente para cada motor, no acoplar en un solo colector los escapes de varios motores. Variables que afectan la combustión: • Poder calorífico e índice de detonación. • Geometría de la cámara de combustión. • Tipo de ignición. • Velocidad del motor. • Relación del aire/combustión. • Temperatura y humedad del aire. 3.2. MOTO/GENERADORES PTAR-CAÑAVERALEJO El motor VHP 7042GL en “V”, su sentido de giro en dirección estándar quiere decir contrario a las manecillas del reloj mirándolo desde atrás (volante). El modelo GL es turbo cargado e ínterenfriado de mezcla pobre con un diseño para bajo consumo de combustible y bajas emisiones de gases en el escape, el porcentaje de oxigeno a la salida es del 8,5 al 9%. Posee una precámara de combustión ubicada en la culata del cilindro que proporciona una mezcla de combustible rica a una parte del cilindro y la mezcla pobre llena la cámara de combustión principal del cilindro. Cuando la bujía enciende la mezcla del combustible se desarrolla la inyección que sale por los orificios de la precámara para encender la mezcla pobre; el encendido de la mezcla rica asegura la combustión completa dentro de la cámara principal. Cada moto/generador cuenta con un skid auxiliar para el funcionamiento; el compresor de precombustión se encarga suministrar la mezcla rica de combustible a la precámara de combustión; el soplador de biogás es el encargado de suministrar el caudal de combustible requerido al motor en la cámara de combustión. El skid auxiliar requiere de una fuente alterna de energía eléctrica para el arranque del moto/generador, suministrada por un moto/generador diesel, la figura 31 muestra los dos motores instalados en la planta.

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Figura 31. Motores Waukesha Tabla 20. Especificaciones técnicas del motor La figura 32 indica uno de los generadores de la planta Ptar-Cañaveralejo. Figura 32. Generador planta Ptar-Cañaveralejo

MARCA WAUKESHAMODELO L7042GL

CANTIDAD 2HP 1376

BHP 1478VELOCIDAD 1200 RPM

COMBUSTIBLE GAS NATURAL - BIOGÁSRELACIÓN DE COMPRESIÓN 10,5:1

ENCENDIDO ELÉCTRICO 24VDCPESO 18000Kg.

DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN 7040 in³ (116L)NUMERO DE CILINDROS V - 12

SERVICIO CONTINUO

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Tabla 21. Especificaciones técnicas del generador de la Ptar-Cañaveralejo

MARCA LEROY SOMERCANTIDAD 2POTENCIA 1050 Kw.

POTENCIA APARENTE 1250 KVAVOLTAJE 480V

FASES 3FRECUENCIA 60 Hz

CLASE FFACTOR DE POTENCIA 0,86

PESO 3900 Kg.VELOCIDAD 1200 RPM

3.2.1. Sistema de enfriamiento. Los componentes del sistema son los siguientes: Cabezal del agua de camisas: Las cavidades del agua de enfriamiento, tanto en el bloque como en la tapa del cilindro, componen el sistema de agua de camisas. El cabezal del agua de camisas esta moldeado integralmente dentro del bloque. El agua de enfriamiento circula alrededor de las camisas del cilindro, dentro del bloque de los cilindros. El agua fluye hacia arriba a través de las cavidades en la cubierta de cada tapa del cilindro, el agua fluye alrededor de los asientos de válvulas y hacia arriba de las guía del múltiple de escape. La capacidad de la camisa del motor es de 100 galones (379L). La temperatura de trabajo del agua de la camisa es de 85 – 100 ºC. Bomba recirculación agua de la camisa del motor: Bomba centrifuga con un caudal de 635gal/min y una cabeza de 25 psi y una tubería de 4in de diámetro. Múltiple de escape: Desde cada tapa de cilindro, el agua pasa hacia arriba a través de la conexión del codo de salida, al segmento de múltiples(s) de escape y sale a través del orificio, hacia el múltiple de escape. Cada conjunto del múltiple de escape se compone de segmentos individuales enfriados por agua. La temperatura en el múltiple de escape debe estar entre 430 – 490º C, la máxima contra presión permisible a 1200 rpm es de 13,5in de H2O (0,5 psi) y el diámetro de la tubería de los gases de escape es de 8in. • Circuito del agua de enfriamiento auxiliar. Los componentes del sistema auxiliar son:

65

Bomba de agua auxiliar: Para todos los motores VHP este equipo auxiliar se encuentra ubicada en la parte delantera inferior derecha. Intercambiador(es) de calor (Intercooler): El intercambiador(es) de calor enfría(n) el aire de admisión a los turbo-cargadores, para proporcionar un aire más denso. La temperatura de trabajo debe estar en 44º C. Enfriador de aceite: El refrigerante fluye desde el intercambiado(es) de calor al enfriador de aceite. El enfriador es del tipo casco y tubos. Mientras que el refrigerante fluye a través de una línea de tubos en el enfriador de aceite, el aceite lubricante circula alrededor de ellos. Desde el dispositivo de transferencia de calor el refrigerante se devuelve a la bomba de agua auxiliar para repetir el ciclo. 3.2.2. Sistema del Combustible. La función del sistema del combustible es mantener una relación de aire/combustible constante a través del rango de carga del motor y entregar la mezcla aire/combustible en cantidades correctas. El sistema del combustible consta de los siguientes componentes: Reguladores principales de la presión del gas combu stible: Para asegurar un abastecimiento de combustible uniforme al carburador(es), todos los motores cuentan con un regulador principal de la presión del gas combustible para cada banco. El regulador(es) principal(es) de la presión del gas combustible reduce(n) la presión del abastecimiento del combustible de admisión que llega al carburador(es). La presión real del combustible de admisión depende del valor del poder calorífico del combustible. El combustible fluye desde el regulador(es) principal(es) de la presión del gas combustible, hacia el carburador(es) en donde se mezcla con aire para proporcionar una mezcla pobre a las cámaras de combustión. Carburador(es): El carburador(es) consiste de un cuerpo principal con una válvula de estrangulamiento o mariposa convencional y válvulas de medición operadas por medio de un diafragma. Al igual que cualquier otro carburador, el flujo de aire que pasa a través del carburador es controlado por la mariposa en la garganta del carburador. Las válvulas de medición de flujo de aire miden la cantidad de aire de admisión, dichas válvulas se elevan en proporción directa al volumen de aire que pasa por ellas. Las válvulas de medición del biogás están sujetas a las válvulas de medición de aire y se elevan con estas, abriéndose así el paso de biogás de manera proporcional al aire de admisión. Esto establece y mantiene una relación de aire/combustible específica en todo el rango de operación del motor. El movimiento de las partes es causado por la presión

66

negativa del aire que se crea en las válvulas de medición de aire, la cual se comunica a la parte trasera de cada diafragma a través de dos orificios. Regulador de la precámara: El regulador de la precámara controla la cantidad de combustible disponible para los múltiples de la precámara. El flujo en los múltiples de la precámara es únicamente combustible. Todo el aire necesario para la combustión es empujado dentro de la precámara por el pistón en la carrera de compresión. Válvula de gas de la precámara: La válvula de gas de la precámara está ubicada en la tubería en T exterior del regulador principal de presión de gas combustible y admite gas de alta presión al regulador del combustible de la precámara. Válvulas de admisión de la precámara: Cada conjunto de la válvula de admisión (1 por cada tapa de cilindro), está montado en un ángulo de 45º en el costado de cada tapa del cilindro. Esta válvula de admisión dirige el flujo de combustible a la precámara. Durante la carrera de compresión la mezcla de aire/combustible fluye a la precámara a través de los orificios de inyección y se mezcla con el gas de ésta. La bujía enciende la mezcla estequiométrica (17,6 masa de combustible/1 masa de aire). Precámara: La mezcla de aire/combustible en la cámara de combustión principal es tan pobre que no se puede encender únicamente con la bujía. El diseño de la precámara le permite recibir una mezcla de combustible rica que puede encenderse fácilmente. La llama que se produce enciende la mezcla pobre en la cámara principal, como indica la figura 33. Figura 33. Precámara de combustión

67

La parte superior de la precámara está ubicada en la parte inferior del portabujía. La parte inferior de la precámara es una pieza independiente con una boquilla de tres agujeros. La precámara se llena con una mezcla rica de aire/combustible a través de la válvula de admisión. La carga del combustible de la precámara se empobrece con el flujo de aire que va hacia adentro de la precámara durante la carrera de compresión. Este proceso ha sido diseñado para que sea muy turbulento, asegurando una buena mezcla para cada carga de la precámara. Luego, la bujía enciende la mezcla de la precámara, la que dirige una inyección de llamas a través de los orificios de la boquilla a la mezcla pobre, en la cámara de combustión principal. De esta manera la carga del combustible de la cámara principal es encendida. 3.2.3. Sistema de arranque. Los componentes del sistema son los siguientes: Bobina de arranque: Se proporciona una bobina de arranque para cada uno de los cilindros. Cada bobina está ligada a una base montada en forma segura entre las correderas del múltiple de admisión. Motor(es) de arranque: Los moto/generadores Waukesha poseen cada uno dos motores de arranque eléctrico a 24V. Se utiliza un solenoide adicional al sistema que hace que el piñón del motor del arranque engrane con la corona dentada del volante. Modulo de ignición: Funciona utilizando un sensor de efecto Hall para leer las marcas de referencia magnética en un disco de distribución, y determinar exactamente la posición del cigüeñal. Las señales se envían desde el sensor de efecto Hall al módulo de ignición permitiendo que éste último le indique al cilindro correspondiente, exactamente cuándo debe arrancar. El sistema del módulo de sensor de detonación está conectado al sistema del módulo de ignición por un conector, estos proporcionan una defensa contra la detonación en la combustión, que puede dañar gravemente el motor. El índice de detonación de diseño para biogás depende del poder calorífico, de acuerdo a los análisis del biogás de la Ptar-Cañaveralejo el índice de detonación es 104, a mayor poder calorífico el índice de detonación es menor y viceversa. Análisis experimentales dieron como resultado un índice de detonación de 120 (biogás Ptar-Cañaveralejo) Bujía, portabujía: La bujía es un dispositivo conductor que produce la ignición, está fijado a la pared superior de cada cilindro. La bujía contiene dos electrodos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro. Se usa un

68

portabujía en estos motores debido a las características especiales de combustión en la precámara. Modulo sensor de detonación: El sistema del módulo sensor de detonación protegerá los motores de arranque de chispa, contra los daños debidos a la detonación considerando cada cilindro individualmente. Por ejemplo el módulo sensor de detonación puede detectar si un sensor se ha dañado o desconectado. 3.2.4. Sistema de admisión de aire. Los componentes del sistema son los siguientes: Múltiple(s) de admisión: El carburador produce automáticamente una mezcla de combustible y de aire en proporciones correctas. El múltiple de admisión conecta(n) los orificios de admisión de los cilindros y distribuyen(n) por igual la mezcla de aire/combustible a cada uno. La máxima presión permisible para los moto/generadores de la Ptar-C es de 15in (381mm) de H2O. Filtro(s) de aire: El sistema de filtrado limpia el aire que aspira el motor. Está diseñado para el volumen de aire necesario de forma que origine las pérdidas de carga mínimas. Estos motores cuentan con dos filtros de aire. Cada filtro de aire está compuesto por un bastidor, el elemento filtrante principal, la almohadilla del prefiltro, el indicador de la restricción de la admisión de aire y el protector de lluvia. El indicador de la restricción de aire en los motores “se vuelve rojo” cuando la restricción aumenta por la acumulación de partículas sólidas que obstruyen la aspiración. La admisión de aire en los moto/generadores Waukesha es de 381mm.c.a (15in.c.a), como lo indica la figura 34. Figura 34. Moto/generador Waukesha

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Turbocargadores: En los motores sobrealimentados se instala un turbocargador que aprovechando la energía cinética de los gases de escape, proporciona la presión de aire de admisión requerida. El lado de la turbina de cada turbocargador es parte del sistema de escape, el lado del compresor es parte del sistema de admisión de aire; los dos están conectados por un eje. Cuando la expansión de los gases de escape que salen del motor hace que la turbina gire, el movimiento de la rueda del compresor hace que el aire que pasa a través del filtro de aire se comprima y sea enviado al múltiple de admisión, como se indica en la figura 35. Figura 35. Turbocargador refrigerado por agua

Control interno del aceite: El cabezal de aceite es una parte integral de la pieza fundida del bloque. Las cavidades internas en el bloque dirigen el flujo de aceite presurizado a los cojinetes y asientos de bancada. El flujo de aceite pasa desde los muñones del cojinete al cigüeñal perforado en T y luego hacia arriba a través de las cavidades perforadas en las bielas. Después de lubricar el rodamiento de la biela, el buje y el perno de pistón, El aceite presurizado pasa a través de una abertura en la parte superior de la biela. El roció de aceite que sale de la biela enfría la parte inferior de la corona del pistón y drena de nuevo en el cárter. Carter y rejilla de sujeción: La parte inferior del bloque está formada por el cárter. La bomba succiona el aceite desde el punto más bajo en el cárter y lo envía al enfriador. La rejilla de succión de aceite impide que las materias extrañas en el cárter entren en el circuito del lubricante. Bomba de aceite: La bomba de aceite lubricante es la que se encarga de hacer circular el aceite por el motor con una presión normal de 55±5 psi y una capacidad aproximada de aceite incluyendo cárter, filtro y enfriador de 93 galones (352L), esta bomba es accionada por engranajes y se encuentra ubicada externamente en la parte delantera del motor, debajo del cigüeñal.

70

3.2.5 Sistema de prelubricación. Los componentes son los siguientes: Bomba y motor de prelubricación: La bomba y el motor de prelubricación hacen circular el aceite a través del motor cuando se pulsa el botón de arranque automático del motor. La bomba de prelubricación opera 5 minutos antes y después del arranque y parada respectivamente. Tabla 22. Datos del funcionamiento del Motor Waukesha L7042GL

Agua de Enfriamiento Trabajo continuo Potencia en Kw. 1050 Energía Suministrada por el combustible x 1000 BTU/HR (Kw.) 10857

Energía consumida por el agua de enfriamiento x 1000 BTU/HR (Kw.)

2682

Energía consumida por el aceite x 1000 BTU/HR (Kw.) 411 Intercooler x 1000 BTU/HR (Kw.) 555 Flujo de Calor por radiación x 1000 BTU/HR (Kw.) 380 Energía térmica en el exhosto x 1000 BTU/HR (Kw.) 3246

3.3. BALANCE ESTEQUIOMETRICO DE BIOGÁS (METANO) Los combustibles que se queman en los motores de combustión interna son mezclas formadas casi por completo por compuestos llamados hidrocarburos, por estar constituidos por hidrogeno y carbono. Todos los combustibles contienen un gran número de cadenas de hidrocarburos, compuestas por hidrogeno y carbono en proporciones variables. La relación de aire/combustible define la cantidad de aire, ya sea en peso o en masa, en relación con una sola cantidad de combustible abastecido a un motor para realizar la combustión. La relación aire/combustible tiene influencia en la potencia del motor, en las emisiones (gases de escape) y en la economía del combustible. La tabla 23 muestra la composición química del biogás que se produce en la Ptar-Cañaveralejo.

71

Tabla 23. Cromatografía de la caracterización del biogás No es necesario conocer la cantidad de cada hidrocarburo concreto contenida en un combustible dado para estudiar la combustión del hidrocarburo en conjunto; lo único es que se necesita conocer en que proporciones se encuentra todo el hidrogeno y todo el carbono contenidos en el combustible, ya que durante la combustión las moléculas del combustible se dividen en sus elementos químicos constituyentes, y cada uno de estos se combina con el oxigeno por separado. Sea a = Na = Número de moles oxigeno suministrado por mol de combustible. Conociendo las proporciones totales de hidrogeno y carbono, se emplean las ecuaciones elementales de la combustión para cada elemento. La forma de un hidrocarburo se presenta como CnHm, dado que todo hidrocarburo necesita una mínima cantidad de aire se establece la siguiente fórmula:

( )( )224m

mn 3,76N+O+n+HC En el proceso de combustión teórica ideal, reaccionan el carbono y el oxigeno. El balance de la ecuación se establece de la siguiente forma:

( )( ) ( ) ( ) ∆Ε+OH +CO n3,76N+O+n+HC 22m

2224m

mn a

COMPUESTOCOMPOSICIÓN

BIOGÁS %Metano CH 4 60,3

Dióxido de Carbono CO 2 27,0

Oxigeno O 2 1,93

Nitrógeno N 2 7,67

Monóxido de Carbono CO 2,0

Etano C 2 H6 0,1

Hidrogeno H 1,0

Ácido Sulfhídrico H 2S 0,0

TOTAL 100

COMPOSICIÓN DEL AIRE SECO

BASE MOLAR BASE DE MASA

Aire4,76mol=N 3,76mol+O mol 1

Airemol 1=N 0,79mol+O 0,21mol

22

22

Airekg 4,31=N kg 3,32+O kg 1

Airekg 1=N 0,768kg+O kg 0,232

22

22

COMPOSICIÓN DEL AIRE SECO

BASE MOLAR BASE DE MASA

Aire4,76mol=N 3,76mol+O mol 1

Airemol 1=N 0,79mol+O 0,21mol

22

22

Airekg 4,31=N kg 3,32+O kg 1

Airekg 1=N 0,768kg+O kg 0,232

22

22

72

El biogás producido en la Ptar-Cañaveralejo está compuesto por dos combustibles 60,3% de CH4 y el 1% de C2H6, estos son los causantes de la combustión, los demás elementos no intervienen en el proceso. Cálculo de la reacción estequiométrica: Balance del metano (CH4):

( )( )[ ]224m

4 N76,3+O+n603,0+0,603CH

)N76,3+O)(603,0+603,0(+0,603CH 224

)N76,3+O(206,1+0,603CH 224

Aplicando peso molecular CH4

)28,105+32(206,1+(16) 0,603

165,559+9,648 A Balance del etano (C2H6):

( )( )[ ]224m

62 3,76N+O+n0,01+H0,01C

)N76,3+O)(015,0+02,0(+H0,01C 2262

)N76,3+O(035,0+H0,01C 2262 Aplicando peso molecular C2H6

)28,105+32(035,0+(30) 0,01

804,4+0,3 B Sumando (A) + (B)

)559,165+948,9(+)804,4+(0,3

)559,165+804,4(+)948,9+(0,3 170,363 + 9,948

73

Dividiendo el aire/combustible obtenemos la relación estequiométrica:

17,13 = 9,948

170,363

3.3.1. Relación consumo aire/combustible en los mot ores MCIA. La relación estequiométrica del combustible biogás es 17,13:1

Diámetro del cilindro= 238mm.

aρ = densidad del aire. A = área del cilindro. L = longitud del cilindro: 216mm N = numero de cilindros: 12 RPM = revoluciones del motor F/A = relación aire/combustible. n = 2 número de vueltas del cigüeñal (motor de cuatro tiempos).

=17,13

1×

2n1200rev/mi

×0,1154m×mkg

1,17=m 33eCombustibl

•

0,0584×minrev

600×0,1154m×m

kg1,17=m 3

3eCombustibl

•

=1hr

60min*

minkg

4,73=m eCombustibl

•

hrkg

283,8 =m eCombustibl

•

Aireal Relación en 0,6=ρ4CH

3AIRE m

kg1,17 = ρ

Relación estequiométrica del Biogás Ptar-Cañaveralejo

17,13 kg de Aire/1kg de Combustible

Relación estequiométrica del Biogás Ptar-Cañaveralejo

17,13 kg de Aire/1kg de Combustible

AF

nrev/min

NLΑm aeCombustibl ×××××ρ=•

masico. flujo =m eCombustibl

•

74

3CH m

kg0,7 =ρ

4

4CH

•

eCombustibl

•

ρ

1 × m =m

=

mkg

0,7

1×

minkg

4,73 =m

3

eCombustibl

•

= 1hr

60min×

minm

6,76 =m3

eCombustibl

•

4

3

eCombustibl

•

CH eCombustibl hrm 405,6 =m

Consumo teórico de combustible de acuerdo a la geometría de la cámara de combustión del motor instalado en la Ptar-Cañaveralejo. La figura 36 nos muestra el equipo utilizado para la cromatografía del combustible producido en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 36. Cromatógrafo de Gases y Masas

Agilent Tecnhnologies 6890N Net Work GC Sistem 3.3.2. Consumo de combustible con el poder calorífi co del Biogás. El poder calorífico del biogás de digestor está entre 550 a 600 BTU/ft³ teórico, podemos calcular el consumo de combustible requerido. Eficiencia del generador es del 95 %.

75

Calculamos la potencia en BHP para cada grado de carga (%).

Gη × 0.746KW

= BHP

1481BHP ≡ 1478BHP

1110BHP ≡ 1108BHP

740BHP ≡ 739BHP La figura 37 nos indica la manera de calcular el consumo de combustible para los motores Waukesha que se encuentran instalados en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 37. Gráfica para el cálculo del consumo de combustible

eCombustibl Calorifico PoderHR -BTU/BHP × BHP

= eCombustibl Consumo

POTENCIA DE 50% GENERARPARA 740 = 0,95 × 0,746

KW 525 = BHP


KW 787 = BHP


KW 1050 = BHP

CONSUMO DE COMBUSTIBLE PARA DIFERENTESPORCENTAJES DE CARGA EN SERVICIO CONTINUO Y BHP

50%

75%

100%

SOBRECARGA DE CAPACIDAD 10%

CONTINUO SERVICIO EN CAPACIDAD

CONSUMO DE COMBUSTIBLE PARA DIFERENTESPORCENTAJES DE CARGA EN SERVICIO CONTINUO Y BHP

50%

75%

100%

SOBRECARGA DE CAPACIDAD 10%

CONTINUO SERVICIO EN CAPACIDAD

76

Trabajando el moto/generador a un grado de carga del 100%:

BTU/FT 550HR - BTU/BHP 7250 × BHP 1478

= e Combustibl Consumo3

= 35.31FT

1m ×

hrFT

19482 = e Combustibl Consumo3

33

hrm 552 = eCombustibl Consumo

3


BTU/FT 550HR - BTU/BHP 7650 × BHP 1108

= e Combustibl Consumo3

= 35.31FT

1mhr

FT 15411 = e Combustibl Consumo

3

33

×


3


BTU/FT 550HR -BTU/BHP 8400 × BHP 739

= e Combustibl Consumo 3

= 35.31FT

1m×

hrFT

11353 = e Combustibl Consumo 3

33


3

El consumo de biogás en los moto/generadores cambia según el poder calorífico, los cálculos de consumo son realizados con el poder calorífico del rango inferior (550BTU/ft³ teórico). La operación de los moto/generadores debe estar por encima del 50% del grado de carga, por debajo del 50% no es rentable económicamente relacionándolo con el costo de la energía comprada a la red. • Energía suministrada por el combustible para generar 1050 KW al 100% de Carga:

BTU/HR 10715500 = HR-BTU/BHP 7250 × BHP 1478 .

77

• Energía suministrada por el combustible para generar 787 KW al 75% de Carga:

BTU/HR 8476200 = HR-BTU/BHP 7650 × BHP 1108 . • Energía suministrada por el combustible para generar 525 KW al 50% de Carga:

BTU/HR 6244550 = HR-BTU/BHP 8450 × BHP 739 . 3.4. CROMATOGRAFÍA BIOGÁS PTAR - CAÑAVERALEJO La figura 38 muestra el cálculo del poder calorífico inferior, utilizando una cromatografía del biogás, la práctica se realiza en un software llamado wki-waukesha. Figura 38. Cálculo poder calorífico con wki-waukesha

78

3.5. CONSUMO DE COMBUSTIBLE CON GAS NATURAL Los moto/generadores están diseñados para trabajar con biogás o con gas natural; para el caso de la Ptar-Cañaveralejo se utilizara el subproducto del tratamiento de las aguas residuales como energía primaria (biogás). El consumo para gas natural se calcula como última opción en el caso de no contar con biogás de buena calidad y cantidad. El poder calorífico del gas natural esta un rango de 900 a 950 BTU/ft³. Eficiencia del generador es del 95 %. Calculamos los BHP para cada % de potencia eléctrica.

eCombustibl Calorifico PoderHR-BTU/BHP × BHP

= eCombustibl Consumo


BTU/FT 900

HR-BTU/BHP 7250 × BHP 1478 = e Combustibl Consumo 3

= 35.31FT

1m×

hrFT


33


3


BTU/FT 900


= 35.31FT

1m ×

hrFT


33


3


79

BTU/FT 900


= 35.31FT

1m×

hrFT


33


3

El valor de 1m3 del gas natural es de $610, según tarifa de gases de occidente, el

costo de 337 hr

m3

x $610 = 205570 hr

$.

3.5.1. Ajuste de potencia. La potencia en los motores de combustión interna turbocargado e ínterenfriado varía de acuerdo a la altitud y temperatura del medio geográfico de localización donde se encuentren instalados: Caída de potencia el 2% por cada 1500ft (457m) de altitud. Caída de potencia el 1% por cada 100º F (38º C) de temperatura ambiente. Tabla 24. Potencias para combustibles diferentes motor Waukesha

MOTOR (MCIA)

Combustible BIOGÁS GAS NATURAL

Poder Calorífico 550BTU/ft³ 900BTU/ft³

Ciclo

100% 1050 1050

75% 787 787

50% 525 525

100% 786 786

75% 589 589

50% 393 393

100% 552 337

75% 436 267

50% 320 195

Alternativo

POTENCIA ELÉCTRICA (Kw.)

POTENCIA TÉRMICA (Kw.)

CONSUMO DE COMBUSTIBLE (m³/hr)

Otto

80

La potencia térmica en el sistema de enfriamiento no es aprovechada en su totalidad y la mejor transferencia se logra con el moto/generador a plena carga. 3.6. ENERGÍA CALORÍFICA RECUPERABLE 3

Energía suministrada al sistema (q•

) para generar 1050 Kwe:

Flujo de combustible a plena carga ( ∀ ): Poder Calorífico del Biogás (LHV): 500 – 550BTU/ft³

hrft

19491 = hrm

552=33

∀

LHV = q•

×∀

hrBTU

10720116 = ft

BTU550 ×

hrft

19491 = 3

3•

q

= hrBTU 3412

1Kw ×

hrBTU

10720116 = q•

3141,4Kw = q•

Energía Total Suministrada por el Biogás.

La figura 39 nos muestra un esquema general del sistema de cogeneración de la Ptar-Cañaveralejo. 3 AGUDELO SANTAMARIA, John Ramiro. Cogeneración con motores térmicos alternativos. Medellín: Universidad de Antioquia, 2002. p. 38-39.

81

Figura 39. Esquema del sistema de cogeneración Ptar-Cañaveralejo

82

3.6.1. Energía del Sistema de enfriamiento del Moto r. Es prácticamente posible recuperar todo el calor extraído del motor por el agua de enfriamiento. La proporción de energía calorífica extraíble varía muy poco de un tipo de motor a otro y suele estar comprendida entre 0,5 – 0,8 Kw-h por Kwhe (Kw-h eléctrico) generado. El agua de enfriamiento de las camisas de los moto/generadores será utilizada para calentar el lodo de los digestores. El agua realiza un intercambio de calor con un circuito alterno llegando hasta el intercambiador de calor a través del cual pasa el lodo espesado. Después de calentar el lodo el agua se recircula a las torres de enfriamiento y se reinyecta al circuito para enfriar el agua de las camisas de los motores de los generadores como agua de enfriamiento, la figura 40 nos muestra el intercambiador de calor de la camisa del motor instalado en la Ptar-Cañaveralejo. Figura 40. Intercambiador de calor camisa del motor

3.6.2. LMTD de temperaturas intercambiador agua de enfriamiento motor

T = 9 3 ° C

T = 6 1 ° C

T = 5 4 ° C

T = 4 4 ° C

FLUIDO

CALEFACTOR

CAMISA DEL

MOTOR

AGUA DE

REFRIGERACIÓN

PRINCIPAL

C=TCe093

C=TFs061

C=TCs054

C=TFe044

Ta

=32°

C

Tb

=10°

C

T

A

83

Potencia del Generador GeneradorKw : 1050Kw

Eficiencia del Generador Generadorη : 95% (Según catalogo)

Potencia del Motor ( MotorKw ):

Generador

GeneradorMotor η

Kw =Kw

1105Kw = 0,95

1050Kw =KwMotor

Eficiencia Térmica Motor Waukesha:

q•Motor

Motor

Kw =η

33% = 100 × 3141,4Kw1050Kw

=ηMotor

33% = ηMotor

Kw 1037 = 0,33 × BTU 3412

hr1Kw ×

hrBTU

10720116

Energía consumida por el agua de enfriamiento del motor: 2682000 BTU/hr, según tabla 22

Kw 786 = BTU 3412hr-1Kw

× hr

BTU2682000

Energía térmica aprovechable del sistema de enfriamiento del Motor EAPROVECHABLE:

Kw 674 = 0,651037Kw× = E LEAPROVECHAB La energía térmica aprovechable mejora la eficiencia del motor:

33% = ηMotor , energía total suministrada por el biogás 3141,4Kw = q•

C19 = 1,16

C22 =

C10C32

Ln

C10-C32 =

∆Tb∆Ta

Ln

∆Tb-∆Ta = LMTD O

O

O

O

OO

84

T = 4 9 ° C

T = 3 5 ° C

T = 6 0 ° CT = 3 9 ° C

Eficiencia Recuperada Recuperadaη :

•LEAPROVECHAB

Recuperada

q

E = η

21% = 100 × 3141,4KW

674KW = ηRecuperada

Eficiencia Total TOTALη :

eRecuperablMotorTOTAL η + η = η

54% = 21% + 33% = ηTotal Figura 41. Intercambiador de calor del circuito lodos de digestores

3.6.3. LMTD del intercambiador de calor lodos de digestores

C=TCe060

C=TFs049

C=TCs039

C=TFe035

Ta

=11°

C

Tb

= 4°

C

T

A

85

3.6.4. Energía en el Sistema de Refrigeración del Aceite. La energía calorífica recuperable se encuentra en el rango de 0,1 — 0,3 Kw-h por Kwhe generado.

Energía consumida del aceite: Kw 120,5 = 3412BTU

hr1Kw

hrBTU

411000 × , ver tabla 22

Energía térmica aprovechable del sistema de refrigeración aceite:

Kw 207 = 0,2 ×1037Kw .

3.6.5. Energía en los Gases de Escape. Gases de escape la energía recuperable depende la temperatura final de éstos. Si se trata de un combustible como el biogás, la temperatura de emisión de los gases se puede reducir hasta los 90° C sin que exista riesgo de formación de condens ados, llegándose así a recuperar del orden de 0,45 Kwh. por Kwhe generado.

Energía térmica en el exhosto: Kw 951 = 3412BTU

hr1Kw

hrBTU

3246000 × , ver tabla 22

Energía térmica aprovechable en los gases de escape:

Kw 467 = 0,45 ×1037Kw

C6,9 = 1,0116

C7 =

C4C11

Ln

C4 - C11 =

∆Tb∆Ta

Ln

∆Tb-∆Ta = LMTD O

O

O

O

OO

86

Tabla 25. Registro de consumo de potencia y energía Ptar-Cañaveralejo

IMPULSION (m³/s)COLECTOR

CENTRAL (m³/s)SI NO A B C D

12:00am 1,90 0,74 X 521,0 0,72 12504,0 9002,9 N/A N/A 0 02:00am 2,30 0,61 X 505,0 0,72 12120,0 8726,4 N/A N/A 0 04:00am 2,20 0,68 X 494,7 0,72 11872,8 8548,4 N/A N/A 0 06:00am 2,85 0,88 X 638,8 0,77 15330,2 11804,3 N/A N/A 0 08:00am 2,50 0,65 X 622,6 0,76 14942,4 11356,2 N/A N/A 0 010:00am 2,73 0,71 X 437,5 0,75 10500,0 7875,0 N/A N/A 0 012:00pm 2,85 0,85 X 658,3 0,77 15799,2 12165,4 N/A N/A 0 02:00pm 3,00 0,92 X 580,9 0,74 13941,6 10316,8 N/A N/A 0 04:00pm 6,62 2,00 X 832,0 0,77 19968,0 15375,4 N/A N/A 169 06:00pm 3,94 1,00 X 983,5 0,79 23604,0 18647,2 N/A N/A 167 1698:00pm 2,00 1,30 X 752,6 0,76 18062,4 13727,4 N/A N/A 0 11610:00pm 2,75 1,10 X 599,1 0,74 14378,4 10640,0 N/A N/A 0 0

PROMEDIO 635,5 0,75 15251,9 11515,4

HORARIOSPOTENCIA

(KW)CONSUMO ENERGIA

ACTIVA (Kw-h)CONSUMO ENERGIA REACTIVA (Kvar-h)

FACTOR DE POTENCIA

NOTA: FUNCIONAMIENTO BOMBAS TORNILLO. Las bombas inician su funcionamiento por diferencial denivel entrando en funcionamiento segun teleregulación la bomba tornillo D, si esta no logra bajar el nivel entra en

funcionamiento la bomba C produciendo unos arranques alternados segun el caudal de entrada a la planta por el colector central. En la tabla no aparecen los datos completos de la hora y el tiempo de operación de las

bombas tornillo ya que no coinciden con los registros de la tabla. La bomba tornillo D entro en funcionamiento por nivel a las 12:09 am con una potencia de172 KW y paró a las 12:15 am con una potencia de105 KW. La

bomba tornillo C entro en funcionamiento a las 12:28 am con una potencia de 154 KW y paró 12:36 am con una potencia de106 KW. Estos datos registrados fueron tomados en un dia cualquiera de funcionamiento de la

planta.

FECHA: 09-06-2006

TPA TORNILLO POTENCIA (KW)CAUDAL AFLUENTE

87

Tabla 26. Registro de consumo de potencia y energía Ptar-Cañaveralejo

IMPULSION (m³/s)

COLECTOR CENTRAL (m³/s)

SI NO A B C D

12:00am 1,70 0,66 x 588,7 0,74 14128,8 10455,3 N/A N/A 0 02:00am 1,80 0,69 x 735,7 0,76 17656,8 13419,2 N/A N/A 169 04:00am 1,76 0,68 x 710,0 0,76 17040,0 12950,4 N/A N/A 151 06:00am 1,70 0,66 x 851,9 0,77 20445,6 15743,1 N/A N/A 166 08:00am 1,78 0,68 x 736,1 0,76 17666,4 13426,5 N/A N/A 161 010:00am 1,92 0,74 x 617,8 0,74 14827,2 10972,1 N/A N/A 153 012:00pm 3,80 1,40 x 658,0 0,74 15792,0 11686,1 N/A N/A 0 02:00pm 3,60 1,39 x 773,3 0,76 18559,2 14105,0 N/A N/A 160 04:00pm 5,20 2,00 x 647,1 0,76 15530,4 11803,1 N/A N/A 0 1606:00pm 1,95 0,95 x 746,7 0,77 17920,8 13799,0 N/A N/A 174 08:00pm 3,68 1,41 x 715,8 0,77 17178,0 13227,1 N/A N/A 135 010:00pm 4,10 1,57 x 701,7 0,76 16840,1 12798,5 N/A N/A 0 134

HORARIOSPOTENCIA

(KW)CONSUMO ENERGIA

ACTIVA (Kw-h)CONSUMO ENERGIA REACTIVA (Kvar-h)

FECHA:10-06-2006

FACTOR DE

POTENCIA

NOTA: Durante el registro de datos correspondiente a la tabla, se incremento de manera mas notoria el caudal en colector central por lluvias, llegando el consumo de potencia de 904 KW con un caudal de 3,75 m³/s en impulsiones y 3,0 m³/s por colector central.

TPA TORNILLO POTENCIA (KW)CAUDAL AFLUENTE

88

Tabla 27. Producción y consumo de energía Ptar-Cañaveralejo año 2006

CONSUMO TOTALAT-03 AT-04 AT-03 AT-04 RED EMCALI GENERADOR 1 GENERADOR 2 DE LA PLANTA

Unidad Kwh Kwh Kvarh Kvarh Kwh Kvarh Kwh Kvarh Kwh Kvarh Kwh Kv arh1 2118 0 490 52 533858 527138 0 0 0 0 533858 5271382 0 0 0 52 528134 511746 0 0 0 0 528134 5117463 0 0 0 3 560282 551624 0 0 0 0 560282 5516244 0 0 0 0 533129 530271 0 0 0 0 533129 5302715 0 0 0 0 547292 542785 0 0 0 0 547292 5427856 0 0 0 0 535581 520072 0 0 0 0 535581 5200727 0 0 0 0 558770 541335 1 0 1 0 558772 5413358 0 0 0 0 541227 528884 0 0 0 0 541227 5288849 0 0 0 0 533968 516641 0 0 0 0 533968 516641

10 0 0 0 0 455989 440093 0 0 0 0 455989 44009311 0 0 0 0 333810 322020 0 0 0 0 333810 32202012 0 0 0 0 509428 501123 0 0 0 0 509428 501123

TOTAL 2118 0 490 107 6171468 6033732 1 0 1 0 6171470 6033732

Media 177 0 41 9 514289 502811 0 0 0 0 514289 502811Min. 0 0 0 0 333810 322020 0 0 0 0 333810 322020Máx.. 2118 0 490 52 560282 551624 1 0 1 0 560282 551624

ENERGÍA ACTIVAENERGÍA

REACTIVA

SEGÚN PROGRAMA SCADA

CONSUMOPRODUCCIÓN

MES

89

Figura 42. Indicador consumo energía de la red EMCALI año 2006

90

Tabla 28. Consumo de la red EMCALI máximos y mínimos Ptar-C 2006

MIN. MEDIA MÁX. MIN. MEDIA MÁX.ENER 14333 17795 23570 14475 17571 23879FEBR 15070 18862 22892 14580 18277 20729MARZ 14127 18074 19619 14277 17794 18921ABRIL 16469 17771 19494 16640 17676 18881MAYO 14770 17655 19061 15096 17509 18399JUNIO 15856 17853 19593 15710 17336 18488JULIO 17016 18025 20014 16594 17462 18735AGOST 13599 17459 18873 13114 17061 18231SEPTIEM 16249 17799 19162 15864 17221 18321OCTUB 11127 14709 19160 10734 14197 17998NOVIEM 11127 11127 11127 10734 10734 10734DICIEM 9087 16433 21615 9069 16165 20015

MESKWH KVARH

CONSUMO RED EMCALI MÁXIMOS - MÍNIMOS

Figura 43. Indicador mensual consumo energía de la red EMCALI año 2006

01 5 0 03 0 0 04 5 0 06 0 0 07 5 0 09 0 0 0

1 0 5 0 01 2 0 0 01 3 5 0 01 5 0 0 01 6 5 0 01 8 0 0 01 9 5 0 02 1 0 0 02 2 5 0 02 4 0 0 0

CO

NS

UM

O

DE

EN

ER

GÍA

EN

KW

H

EN

ER

FE

BR

MA

RZ

AB

RIL

MA

YO

JU

NIO

JU

LIO

AG

OS

T

SE

PT

IEM

OC

TU

B

NO

VIE

M

DIC

IEM

M ES

K W H

K W H M IN . K W H M E D IA K W H M Á X .

01 5 0 03 0 0 04 5 0 06 0 0 07 5 0 09 0 0 0

1 0 5 0 01 2 0 0 01 3 5 0 01 5 0 0 01 6 5 0 01 8 0 0 01 9 5 0 02 1 0 0 02 2 5 0 02 4 0 0 0

CO

NS

UM

O

DE

EN

ER

GÍA

EN

KV

AR

H

EN

ER

FE

BR

MA

RZ

AB

RIL

MA

YO

JU

NIO

JU

LIO

AG

OS

T

SE

PT

IEM

OC

TU

B

NO

VIE

M

DIC

IEM

M E S

C O N S U M O R E D E M C A L I M Á X IM O S - M ED IA - M ÍN IM O S 2 0 0 6K V A R H

K V A R H M IN . K V A R H M E D IA K V A R H M Á X.

91

• Relación del factor de potencia de la red Ptar-C vs. Los gene radores. A continuación se indican el factor de potencia para los generadores, la planta y la compensación del factor ideal.

KVAKW

= φ COS

LOS GENERADORES 0,86 = COS φ PLANTA PTAR-C 0,74 = COSφ

KVAR1

KW

KVAR1

X

Y

ϕ 0,86=

KVAR2

KW

X

Y

KVAR20,72=ϕ

92

COMPENSACIÓN DEL ϕCOS COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIAS

Calculo del Intensidad de corriente: PF × Volts× 1,73

1000 × KW = AMPS

Calculo de intensidad de la corriente de trabajo Ptar-Cañaveralejo:

PLANTAPLANTA PF × Volts× 1,73

1000 × KW = AMPS

= 0,74 ×480V × 1,73

1000 × 1050KW = AMPSPLANTA

A1709 = IPLANTA

GENERADORGENERADOR PF × Volts× 1,73

1000 × KW = AMPS

= 0,86 ×480V × 1,73

1000 × 1050KW = AMPSGENERADOR

KW

KVAR2

X

Y

KVAR2KVA1

KVAR2ϕ 0,72=

ϕ 0,86=

KW

X

Y

KVA1

KVA3

KVA2

KVAR3KVAR1

KVAR2

93

A1470 = IGENERADOR La diferencia entre intensidades de corriente:

239A =1470A -1709A =I - I GENERADORPLANTA

El generador está diseñado para operar con una sobrecarga del 10%, dos horas en 24 horas de operación. Se genera con sobrecarga una Potencia de 1155Kw

1617A = 0,86 ×480V × 1,73

1000 × 1155KW = IGENERADOR

= 1000

PF × Volts× 1,73 × AMPS = KW GENERADOR

GENERADOR

ARGA)10%(SOBREC + 903KW = 1000

0,74 ×480V × 1,73 × 1470KW = KW GENERADOR

994KW = KW GENERADOR

Potencia Máxima generada por el sistema de cogeneración con sobrecarga. POTENCIA REQUERIDA PARA COMPENSAR EL FACTOR DE POTENCIA DE LA PTAR-CAÑAVERALEJO

[ ])PF tag(cos - )PF tag(cosKW =KVAR GENERADOR-1

PLANTA-1

0,74 = φ cos O

1 42,26 = φ Compensar el factor de potencia (COS φ ) a:

0,93 = φ cos O

2 21,36 = φ Entonces reemplazamos en la formula:

[ ]= 0,395 - 0,9091050KW = KVAR

540KVAR =KVAR Potencia requerida para compensar el factor de potencia PF = 0,93

94

4. FACTIBILIDAD ECONÓMICA SISTEMA DE COGENERACIÓN El potencial de ahorro se verá afectado por la diferencia entre el precio pagado por la energía eléctrica comprada a la red y por la cantidad de energía eléctrica producida por el sistema de cogeneración, es decir, el costo del combustible usado. Entre más grande esta diferencia, mayor el ahorro. Un análisis económico de la inversión en cogeneración requiere una evaluación detallada de estos aspectos, usando técnicas de análisis económico de uso común como el retorno de la inversión (Rl), el valor presente neto (VPN). La tabla 29 muestra el histórico del consumo de energía y la proyección en cinco años en la Ptar-Cañaveralejo. Tabla 29. Proyección del consumo histórico de energía Ptar-Cañaveralejo

AÑOTIEMPO Hr/día

POTENCIA Kw

CONSUMO ENERGIA Kw-hr

COSTO UNITARIO $/Kw-Hr

2002 600 144002003 650 156002004 700 168002005 750 180002006 800 192002007 850 204002008 900 216002009 950 228002010 1000 240002011 1050 252002012 1100 26400

24

172,4

200

95

Tabla 30. Costo del sistema de generación Ptar-Cañaveralejo

CANT. VR UNIT US DOLLAR AÑO 2002

VR TOTAL US DOLLAR AÑO 2002

2 $786.256,0 $1.572.512,02 $18.800,0 $37.600,02 $7.700,0 $15.400,02 $3.256,0 $6.512,02 $295.970,0 $591.940,02 $73.296,0 $146.592,01 N/A $45.000,0

$1.185.278,0 $2.415.556,0

CANT. VR UNIT US DOLLAR AÑO 2002

VR TOTAL US DOLLAR AÑO 2002

1 $19.436,0 $19.436,01 $13.676,0 $13.676,01 $103.929,0 $103.929,01 $6.771,0 $6.771,0

$143.812,0

TOTAL COSTO UNITARIO MOTO/GENERADOR Y SISTEMA AUX. PTAR-C $1.329.090,0

TOTAL MOTO/GENERADOR Y SISTEMA AUXILIAR

STOCK DE REPUESTOS PARA CAMBIO A TRES AÑOS

TOTAL REPUESTOS ELÉCTRICOS-MECÁNICOS Y HERRAMIENTAS

SILENCIADORESSISTEMA DE CONTROLSISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL MOTOR

PIEZAS DE REPUESTOS DEL MOTOR

COSTO MOTO/GENERADOR Y SISTEMA AUXILIAR

COSTO MOTO/GENERADOR WAUKESHA 7042GL 1478 BHPSOPLADOR DE GAS (BOOSTER)

$2.559.368,0N/A: NO APLICA

SISTEMA DE ARRANQUE

SECADOR DE BIOGAS

COSTO REPUESTOS Y HERRAMIENTAS

HERRAMIENTAS Y REPUESTOS DEL SISTEMA ELÉCTRICOHERRAMIENTAS DE MANTENIMIENTO

TOTAL COSTO DEL SISTEMA DE GENERACIÓN PTAR-C

La tabla 31 muestra los datos promediados de inflación en Colombia y una proyección a cinco años. Tabla 31. Promedio de inflación en Colombia y proyección a cinco año

AÑO IPP IPC TRM2002 0,00% 0,00%2003200420052006200720082009201020112012

2220

2521

4,0% 6,0%

5,2% 5,7%

El cálculo de los ahorros que proporcionaría el sistema de cogeneración, se tuvo en cuenta el costo de inversión para un moto/generador de la planta Ptar-Cañaveralejo operando 8760 hr/año en un periodo de 5 años (2002 – 2007), aunque se encuentren instalados dos moto/generadores, un equipo siempre estará en standby, la tabla 32 muestra costos de mantenimiento y operación de un motor Waukesha L7042GL.

96

Tabla 32. Costos de mantenimiento y operación moto/generador 4

CANT.AÑO 2002

US DOLLARAÑO 2003

US DOLLARAÑO 2004

US DOLLARAÑO 2005

US DOLLARAÑO 2006

US DOLLARAÑO 2007

US DOLLARAÑO 2008

US DOLLARAÑO 2009

US DOLLARAÑO 2010

US DOLLARAÑO 2011

US DOLLARAÑO 2012

US DOLLAR1 $1.302,5 $1.371,0 $1.443,0 $1.518,9 $1.598,8 $1.691,8 $1.917,5 $1.998,5 $2.083,1 $2.171,3 $2.263,41 $0,00059 $0,00062 $0,00065 $0,00069 $0,00072 $0,00076 $0,00086 $0,00090 $0,00094 $0,00098 $0,00102

$7.677,5 $8.080,9 $8.506,0 $8.953,3 $9.474,3 $10.737,9 $11.191,8 $11.665,2 $12.159,2 $12.674,8

CANT.1 $10.376,8 $10.918,9 $11.488,5 $12.088,8 $12.720,4 $13.385,0 $13.960,3 $14.533,4 $14.580,0 $15.179,7 $15.804,41 $0,00176 $0,00185 $0,00194 $0,00204 $0,00215 $0,00226 $0,00236 $0,00246 $0,00247 $0,00257 $0,00267

$23.912,4 $25.159,9 $26.474,4 $27.857,6 $29.313,1 $30.573,1 $31.828,2 $31.930,3 $33.243,6 $34.611,6

CANT.1 $22.274,1 $23.460,0 $24.709,1 $26.024,8 $27.410,6 $28.870,4 $30.462,2 $31.840,9 $32.774,9 $34.255,7 $35.806,01 $0,00072 $0,00076 $0,00080 $0,00084 $0,00088 $0,00093 $0,00098 $0,00103 $0,00106 $0,00110 $0,00115

N/A N/A $26.024,8 N/A $28.870,4 N/A N/A $32.774,9 N/A N/A

CANT.1 $69.053,3 $72.417,0 $76.518,5 $80.548,8 $84.791,7 $89.258,2 $93.556,4 $97.565,5 $101.751,1 $106.121,0 $110.683,71 $0,00111 $0,00117 $0,00123 $0,00130 $0,00137 $0,00144 $0,00151 $0,00157 $0,00164 $0,00171 $0,00178

N/A N/A N/A N/A $89.258,2 N/A N/A N/A N/A $110.683,7

$103.006,7N/A $31.589,9 $33.240,8 $61.005,2 $36.810,9 $156.915,9 $41.311,0 $43.019,9 $76.370,4 $45.402,8 $157.970,1

$0,0042 $0,0075 $0,0079 $0,0092 $0,0088 $0,0107 $0,0110 $0,0104 $0,0117 $0,0111 $0,0134

N/A $3,6 $3,8 $7,0 $4,2 $17,9 $4,7 $4,9 $8,7 $5,2 $18,0

CANT.AÑO 2002

US DOLLARAÑO 2003

US DOLLARAÑO 2004

US DOLLARAÑO 2005

US DOLLARAÑO 2006

US DOLLARAÑO 2007

US DOLLARAÑO 2008

US DOLLARAÑO 2009

US DOLLARAÑO 2010

US DOLLARAÑO 2011

US DOLLARAÑO 2012

US DOLLAR1 COSTO LABOR DE OPERACIÓN DE EQUIPOS EN GENERACIÓN AL AÑO $42.595,2 $45.023,1 $47.589,4 $50.302,0 $53.169,3 $56.199,9 $61.819,9 $68.001,9 $74.802,1 $82.282,3 $90.510,5

N/A: NO APLICA

MANTENIMIENTO INFERIOR DEL MOTORCOSTO TOTAL LABOR Y REPUESTOS US DOLLAR POR BHP-HR

COSTO TOTAL LABOR Y REPUESTOS US DOLLAR POR BHP-HR

COSTO TOTAL ANUAL POR LUBRICACIÓN

COSTO TOTAL ANUAL POR SINCRONIZACIÓN Y CALIBRACIÓN

COSTO TOTAL ANUAL MANTENIMIENTO SUPERIOR (2,5 AÑOS)

COSTO TOTAL ANUAL MANTENIMIENTO SUPERIOR (5 AÑOS)

LUBRICACIÓN A LAS 1500 HR

SINCRONIZACIÓN Y CALIBRACIÓN A LAS 4000 HR

MANTENIMIENTO A LAS 21000 HR

MANTENIMIENTO A LAS 42000 HR

MANTENIMIENTO SUPERIOR DEL MOTORCOSTO TOTAL LABOR Y REPUESTOS US DOLLAR POR BHP-HR

CAMBIO DE ACEITE LUBRICANTECOSTO TOTAL LABOR Y REPUESTOS US DOLLAR POR BHP-HR

SINCRONIZACIÓN Y CALIBRACIÓN

$319.562,7$63.912,5COSTO PROMEDIO TOTAL MANT. POR AÑO (OPERACIÓN 8760 HR) USD/AÑO

COSTO TOTAL MANTENIMIENTO HR EN 5 AÑOS USD/HRCOSTO TOTAL MANTENIMIENTO EN USD/BHP-HR (5 AÑOS)

COSTO TOTAL LABOR A LAS 42000 HR (OPERACIÓN 8760 HR )

$8,3

$364.074,2$72.814,8

DESCRIPCIÓN DEL MANTENIMIENTO

DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS EQUIPOSCOSTOS POR OPERACIÓN

$0,0049

SUMA TOTAL COTIZACIÓN DE MANT. DEL PROVEEDOR EN EL 2002

$252.283,8 $377.416,7

$0,0056$7,3

TOTAL COSTO MANTENIMIENTO EN CADA AÑOCOSTO TOTAL LABOR Y REPUESTOS EN CADA AÑO POR BHP-H RCOSTO TOTAL MANTENIMIENTO POR HR EN CADA AÑOCOSTO TOTAL MANTENIMIENTO EN 42000 HR (OPERACIÓN 87 60 HR)

$741.490,9

$18,9

TOTAL COSTO DE MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN ANUAL USD $114.369,3 $148.298,2

$571.846,5TOTAL COSTO DE MANTEN. Y OPER. A LAS 42000 (OPERAC IÓN 8760 HR) EN USD

$13,1

COSTO PROMEDIO TOTAL OPER. POR AÑO (OPERACIÓN 8760 HR) USD/AÑO $50.456,8 $75.483,3

TOTAL COSTO DE MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN USD/HR

4 STEWART & STEVENSON. Engineered power marine, aviation, power generation, defense, petroleum and compression industries. United States: Dresser company, 1998. p. 3 – 19.

97

El VPN es la diferencia entre los ahorros netos totales dentro de un periodo de tiempo determinado y la inversión neta. Para su cálculo se fija una tasa de descuento que es la diferencia entre el interés comercial y la tasa de inflación con un período de funcionamiento de instalación normalmente de 10 años. De esta forma el VPN estima la ganancia o pérdida resultante de la inversión propuesta de modo que, si es positiva, la inversión podría hacerse, y es negativa, la planta no es viable.

4.1. AHORRO ANUAL CON EL SISTEMA DE COGENERACIÓN Costo energía = 0,0684USD/Kw.-hr AÑO 2002 Consumo energía promedio en la planta: 800Kw Pago facturación energía planta Ptar-Cañaveralejo:

1.313,0 USD=KwhrUSD

0,0684×24hr×800Kw

1.313,0 USD =Emcali Red Energía diario nFacturació Pago

479.246 USD = días 365 × 1.313 USD =Emcali Red Energía AnualnFacturació Pago

39.937 USD = días 12÷ 479.246 USD =Emcali Red Energía Mensual nFacturació Pago

Costos de Mantenimiento y operación Motor Waukesha L7042GL de la Ptar-Cañaveralejo del 2002 al 2007: TRM: USD 2521,0 (año 2002 al 2007) Costos por mantenimiento anual: USD 63.912,5. Costos por operación anual: USD 50.456,76. Costos Mantenimiento + Operación: USD 114.369,26

anual operacióny ntomantenimie de Costos -Emcali red Energía

anual nfacturació Pago =Anual Ahorro

=114.369,3 USD - 479.246 USD =Anual Ahorro

98

364.876,7 USD =ANUAL AHORRO

El ahorro sin percibir en 5 años desde el año 2002 hasta el 2007:

51.824.383, USD= AÑOS5 AHORROS

1.329.090 USD=joCañaverale-Ptar

óncogeneraci de sistema un Inversión

Operando 8760 horas un equipo de cogeneración, el tiempo de recuperación de la inversión es:

=364.876,7 USD

01.329.090, USD=

2007 al 2002 Año del anual Ahorro

joCañaverale-Ptar ncogenració de sistema un Inversión

Para calcular de forma sencilla el período de retorno de la inversión (PRS) en la Ptar-Cañaveralejo del sistema de cogeneración.

)8760hr/año (Operando horas 31536 año 3.64 = adormoto/gener

un para inversión la de retorno de Periodo

=

El tiempo de recuperación de la inversión calculado es el lapso en el cual el equipo se pagaría si estuviera operando, desde el momento de puesta en marcha de la planta y desde el instante en que empieza la producción de biogás en el año 2002, el sistema de cogeneración se encuentra instalado desde la fecha referenciada y hasta enero del 2007 no se genera energía eléctrica; por lo tanto durante 5 años se ha dejado de percibir ahorros. 4.2. PERDIDAS EN 5 AÑOS CON 2 MOTO/GENERADORES. Las pérdidas por no generar energía eléctrica con el sistema de cogeneración con biogás en la planta Ptar-Cañaveralejo son las siguientes:

99

)8760hr/año (Operando 11913,6hr Años1.36=3.64 - 5= ahorro Percibir

sin Años=

2 ADORMOTO/GENER + 1 ADORMOTO/GENER= INVERSIÓN

= AHORROPERCIBIR

SIN AÑOS× ANUAL AHORRO + INVERSIÓN= años 5 en Perdidas

( ) ( ) =1,36×364.876,7 USD+1.185.278 USD +1.329.090 USD= AÑOS5 ENPERDIDAS

33.010.600, USD = AÑOS5 EN PERDIDAS

602.120,1 USD=5años÷33.010.600, USD= AÑOS1 EN PERDIDAS

602.120,1 USD= AÑOS1 EN PERDIDAS

USD/hr 69=8760hr÷602.120,1 USD =USD/HORA EN PERDIDAS

Las pérdidas calculadas en 1 año se realizan teniendo en cuenta que el capital del sistema de cogeneración con los 2 moto/generadores no ha operado. 4.3. PERDIDAS EN 5 AÑOS CON 1 MOTO/GENERADOR

1 ADORMOTO/GENER= INVERSIÓN

= AHORROPERCIBIR SIN AÑOS× ANUALAHORRO + INVERSIÓN= años 5 en Perdidas

( ) =1,36×364.876,7 USD+1.329.090 USD= AÑOS5 EN PERDIDAS

31.825.322, USD= AÑOS5 EN PERDIDAS

365.064,5 USD=5AÑOS÷31.825.322, USD= AÑOS1 EN PERDIDAS

100

USD/HR 41,7=8760hr÷365.064,5 USD =USD/HORA EN PERDIDAS

Las pérdidas calculadas en 1 año se realizan teniendo en cuenta que el capital del sistema de cogeneración con 1 moto/generador no ha operado. Tabla 33. Costo de mantenimiento y operación calentador Kayannson

VALOR USD Y/O CARACTERÍSTICA

TRABAJANDO 24HR

8760,00 HR163700,00 USD

20,00 AÑOS1200,00 MCAL-HR

60,0070,00185,00


TRABAJANDO 24HR

3 N/A$1.189,95 USD/mes

90 HR/Mes$14,87 USD/HR$1,86 USD/HR


TRABAJANDO 24HR

$1.071,00 USD/mes$514,65 USD/mes

$5,33 HR/Mes$23,80 USD$0,01 USD/HR$6,61 USD/HR$0,28 USD/HR$0,28 USD/HR


TRABAJANDO 24HR

$1,98 USD/Lb$0,0014 USD/HR

0,25 Lb360 HR

0,0007 Lb/HR$0,0014 USD/HR


TRABAJANDO 24HR

$0,0680 USD/Kw-hr$123,09 USD/mes$369,28 USD/mes$369,28 USD/mes$1,18 USD/HR

$2.391,66 USD/MES

$3,32 USD/HR

Costo Horario

Capacidad del Calentador

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO: UNIDADES

Salario técnico

Horas MesSalario Operario

MANO DE OBRA OPERACIÓN:

MANO DE OBRA MTTO PREVENTIVO:

UNIDADES

Valor HR/Operario

UNIDADES

Cantidad de Operarios

Salario AyudanteHoras Mes (730 HR)Precio Bandas (Cantidad 5)

COSTOS DE MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN CALENTADOR KAYA NNSON

Temperatura de EntradaTemperatura de SalidaConsumo de Biogás

Precio del CalentadorVida Útil

Horas de funcionamiento por año

Costo Kw-hr comprado a la redCosto del Consumo Mensual Booster: 2,5 Kw

CONSUMO DE ENERGÍA CALENTADOR:

Precio Grasa LubricanteCosto Cambio Grasa LubricanteReemplazo del grasaVida útil del grasa

LUBRICACIÓN: UNIDADES

Costo Cambio Bandas (4380HR)Valor HR/MttoCosto Mano de ObraCosto Horario

UNIDADES

Consumo de Grasa

N/A:NO APLICA, TRM= USD2521.

Costo del Consumo Mensual Bomba Centrifuga: 7,5 KwCosto Horario

COSTO GENERACIÓN DE CALOR CALENTADOR

COSTO GENERACIÓN DE CALOR CALENTADOR

Costo del Consumo Mensual Blower: 7,5 Kw

Costo Horario

hrm3

Co

Co

101

La tabla 34 muestra las posibles formas de operación en que puede estar involucrado el ahorro y consumo de energía en la planta Ptar-Cañaveralejo. La mejor propuesta de operación es 16hr/día, con el sistema de cogeneración y 8hr/día comprando energía a la red dadas las condiciones actuales de la planta para el año 2007. El funcionamiento del sistema de cogeneración durante 16hr/día proporciona la energía eléctrica y térmica requerida por los equipos de proceso cuya demanda de potencia esta en un promedio de 900Kw Durante la noche el caudal efluente disminuye, por lo tanto el consumo de potencia en la planta baja considerablemente, de esta manera según promedios registrados se compraría a la red 600Kw; las 8 horas nocturnas contribuyen en la recuperación del volumen en los almacenadores de biogás (2000m³), teniendo en cuenta que la producción de biogás contabilizada no es suficiente para el abastecimiento de los moto/generadores en 24 horas del día. Colocar en funcionamiento el calentador de agua en la noche para equilibrar la temperatura de los lodos en digestores. Un factor importante a tener en cuenta es la generación de ruido la cual puede ocasionar molestias a la comunidad en la noche. La propuesta recomendad ofrece un significativo ahorro económico y compensa el desarrollo el proceso de tratamiento en la planta Ptar-Cañaveralejo de la ciudad de Cali (Valle de Cauca). Tabla 34. Costo y ahorro de la energía eléctrica comprada y generada.

Generación CogeneraciónGeneración de Energía 0 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0Costo Compra de Energía - Tarifa24 800 54,7 0,068 1.313,3 0,0 0,0Costo Generación de Calor 24 17,5 3,32 0,068 79,7 0,0 0,0

Generación CogeneraciónGeneración de Energía 24 800 13,1 0,016 313,3 364.977,9 29.098,5Compra de Energía - Tarifa 0 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0Costo Generación de Calor 24 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Generación CogeneraciónGeneración de Energía 16 900 13,1 0,015 208,9 283.264,2 25.865,3Compra de Energía - Tarifa 8 600 41,0 0,068 328,3 0,0 0,0Costo Generación de Calor 8 17,5 1,1 0,068 8,9 0,0 0,0

Generación CogeneraciónGeneración de Energía 8 950 13,1 0,014 104,4 141.632,1 22.632,2Compra de Energía - Tarifa 16 750 51,3 0,068 820,8 0,0 0,0Costo Generación de Calor 16 17,5 1,1 0,068 17,7 0,0 0,0N/A: NO APLICA

Costo Total USD/día

Ahorros Costo Energía USD/añoTiempo HR/día


Costo Unit USD/KW-HR

Costo USD/HR

Potencia Kw.

Tiempo HR/día

Costo USD/HR

Tiempo HR/día

Potencia Kw.

Costo USD/HR

Potencia Kw.



Ahorros USD/año



Ahorros USD/año

Ahorros USD/año

GENERANDO 16 HR/DIA Y COMPRANDO ENERGÍA 8 HR/DIA

GENERANDO 8 HR/DIA Y COMPRANDO ENERGÍA 16 HR/DIA

Costo USD/HR


COMPARATIVO DE DIFERENTES MODOS DE OPERACIÓN

COMPRANDO ENERGÍA 24 HR/DIA

GENERANDO EN LA PLANTA 24 HR/DIA

Potencia Kw.

Tiempo HR/día

102

4.4. PROYECCIÓN DE AHORRO ANUAL AÑO 2007 AL 2012 Costo energía = 0,090USD/Kw.-hr AÑO 2007 Consumo energía promedio en la planta: 950Kw Pago facturación energía planta Ptar-Cañaveralejo:

2.052,0 USD=KwhrUSD

0,090×24hr×950Kw

2.052,0 USD =Emcali Red Energía diario nFacturació Pago

748.980 USD = días 365 × 2.052 USD =Emcali Red Energía AnualnFacturació Pago

62.415 USD = días 12÷ 748.980 USD =Emcali Red Energía Mensual nFacturació Pago

Costos de Mantenimiento y operación Motor Waukesha L7042GL de la Ptar-Cañaveralejo del 2007 al 2012: TRM: USD 2220,0 (año 2007 al 2012). Costos por mantenimiento anual: USD 72.814,8. Costos por operación anual: USD 75.483,3. Costos Mantenimiento + Operación: USD 148.298,1.

anual operacióny ntomantenimie de Costos -Emcali red Energía

anual nfacturació Pago =Anual Ahorro

=148.298,1 USD - 748.980 USD =Anual Ahorro

600.682 USD =ANUAL AHORRO

El ahorro que percibiría la empresa en 5 años desde el año 2007 hasta el 2012:

53.003.409, USD= AÑOS5

AHORROS

103

1.329.090 USD=joCañaverale-Ptar óncogeneraci de sistema un Inversión

Operando 8760 horas un equipo de cogeneración, el tiempo de recuperación de la inversión es:

=600.682 USD

01.329.090, USD=

2007 al 2002 Año del anual Ahorro

joCañaverale-Ptar ncogenració de sistema un Inversión

Para calcular de forma sencilla el período de retorno de la inversión (PRS) en la Ptar-Cañaveralejo del sistema de cogeneración.

)8760hr/año (Operando horas 19383 años 2.21 = adormoto/gener

un para inversión la de retorno de Periodo

=

Con la proyección del año 2007 al 2012, muestra el tiempo de retorno de la inversión realizada es de 2.21 años, en la planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo del sistema de cogeneración. Es importante colocar a apunto el sistema de cogeneración ya que los ahorros son bastante representativos disminuyendo las perdidas con la puesta en marcha del sistema.

104

5. CONCLUSIONES El biogás generado en la planta de tratamiento de aguas residuales Ptar-Cañaveralejo posee un gran potencial económico y energético que permite minimizar los costos de operación del proceso aumentando los impactos favorables al medio ambiente y la comunidad. El biogás es fuente de energía primaria para generar electricidad y recuperación total de la inversión económica. Puntos muertos en el digestor sedimentan y compactan el lodo, disminuye el volumen útil del digestor, creando menor producción de biogás. La calidad del lodo de alimentación del digestor mejora disminuyendo el material inerte y los sólidos mayores a 1cm³. La transferencia de calor en los intercambiadores de los moto/generadores es baja para el calentamiento de lodos al generar bajas potencias. La mejor transferencia térmica se logra a plena carga. Los moto/generadores no alcanzan la potencia máxima de diseño en Kwe, debido al factor de potencia de la planta ( ), comparado con el factor de potencia del sistema de cogeneración ( ). El estudio realizado llevó a la empresa a considerar el ahorro económico que representa el funcionamiento del sistema de cogeneración.

0,74=φ cos0,86=φ cos

105

6. RECOMENDACIONES Para mejorar la producción de biogás se debe mejorar la calidad del lodo, por eso es necesario que el lodo esté bien homogenizado y libre de sólidos mayores a 1cm3. Los mecanismos de trituración de sólidos en la línea de lodos debe trabajar las 24 horas, no usar el bypass como descarga de lodos durante espacios de tiempo largos; es necesario la instalación de un triturador de sólidos como reserva para el sistema de trituración. La rejilla de lodos debe estar en óptimas condiciones para la limpieza de hilazas y posibles sólidos que lleguen por la tubería. Disminuir los puntos muertos dentro del digestor teniendo las cañas de agitación de lodo limpias en su totalidad. Aumentar el área de agitación prolongando la longitud de las cañas en el perímetro del digestor. Realizar el mantenimiento respectivo al digestor durante los periodos establecidos. Eliminar las fugas en las cañas y en las válvulas de seguridad. Realizar la calibración exacta de la presión de disparo de las válvulas de seguridad en las cúpulas de los digestores, para evitar la activación prematura ocasionando fugas de biogás incontrolables sin contabilizar y arrojadas a la atmósfera. Instalar purgas automáticas o trampas de condensados en la línea conductora de biogás, cámaras de media presión y cámaras de baja presión.

106

Instalar válvulas de corte antes del sistema de seguridad en cúpulas de digestores, para calibración periódica en válvulas de alivio en línea de biogás. El secador de biogás debe sincronizar su funcionamiento, acorde al arranque del skid auxiliar, de lo contrario la humedad del biogás puede perjudicar el sistema de combustión en el momento de encendido del moto/generador. Revisión periódica en sistema purificador de biogás, evitar compactación de la esponja de hierro; instalar manómetros a la entrada y salida de los purificadores.

107

BIBLIOGRAFÍA BACA, Guillermo. Ingeniería económica. 4 ed. Colombia: Fondo Educativo Panamericano, 1996. 234 p. BOLES, Michael; CENGEL, Yunus. Termodinámica. 2 ed. Madrid: McGraw-Hill, 2001. 866 p. BORROTO, Aníbal. Especialización eficiencia energética. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente, 2005. 196 p. EMCALI, E.I.C.E – E.S.P. Programa de entrenamiento planta Ptar-C de Cañaveralejo: Generación de energía. Santiago de Cali: Empresas municipales de Cali, 2001. 126 p. REDUGAN, Jones. Ingeniería Termodinámica. Bogotá: Phh Prentcehall, 2001. 632 p. SANTAMARÍA, John. Cogeneración con motores térmicos alternativos. Medellín, 2002. 63 p. Trabajo de grado (Ingeniero mecánico). Universidad de Antioquia. Facultad de Ingenierías. STEWART & STEVENSON. Engineered power marine, aviation, power generation, defense, petroleum and compression industries. United States: Dresser company, 1998. 264 p. VILLAREAL, Arturo. Evaluación financiera de proyectos de inversión. Bogotá: Normal, 1982. 185 p. WARK, Kenneth; RICHARDS, Donald. Termodinámica. 6 ed. Madrid: McGraw-Hill, 2001. 594 p.

108

Power rating 2006 [en línea]. United States: Dresser company, 2000. [consultado 30 de enero, 2006]. Disponible en internet: www.waukeshaengine.dresser.com/

Manufacturer engines waukesha [en línea]. United States: Dresser company, 2000. [consultado 15 de febrero, 2006]. Disponible en internet: http://www.dieselenginemotor.com/diesel/engines/1753,1.html Power generation for Industrial applications [en línea]. United States: STEWART & STEVENSON, 1998. [consultado 31 de marzo, 2006]. Disponible en internet: http://www.ssss.com/Products%20and%20Services/Power%20Generation/

109

ANEXOS Anexo A. Mejora del sistema de trituración de sólidos

Anexo B. Cañas de agitación de lodo

Implantar dos trituradores de sólidos en la línea de lodos.

110

Anexo C. Válvulas de seguridad Anexo D. Triturador de sólidos

111

Anexo E. Sistema automático control de temperatura Anexo F. Cámara de media presión línea de Biogás

112

Anexo G. Purgas manuales

estudio de viabilidad del sistema de cogeneraciÓn …

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