optimización exergética de una planta de cogeneración

7/25/2019 Optimizacin exergtica de una planta de cogeneracin

1/106

ANLISIS Y OPTIMIZACIN EXERGTICA DE UNA PLANTA DECOGENERACIN PARA LA INDUSTRIA AZUCARERA

DANIEL SANZ AMAYA

Proyecto de grado

Director del proyectoJUAN CARLOS BURBANO JARAMILLO

DoctorOrientacin y Asesora

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRAFACULTAD INGENIERA MECNICA

MAESTRA EN INGENIERA MECNICAPEREIRA

2014


2/106

2

Nota de aceptacin

Firma del presidente del Jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Pereira, septiembre de 2014


3/106

3

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIN ........................................................................................ 12

1.1

COGENERACIN EN LA INDUSTRIA AZUCARERA ............................. 12

1.2 JUSTIFICACIN ...................................................................................... 151.3 OBJETIVOS ............................................................................................. 161.3.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 161.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ............................................................. 161.3.3 DIVISIN DE CAPTULOS ................................................................ 162 SISTEMA DE COGENERACIN DE ENERGA EN LA INDUSTRIA

AGROINDUSTRIAL CAERA ............................................................................... 182.1 Procesos de transformacin de energa ................................................... 182.2 PROCESOS GENERALES DE LA TRANSFORMACIN DE ENERGA APARTIR DE LA CAA DE AZCAR ..................................................................... 182.2.1 Sistema de preparacin y extraccin de sacarosa. ........................... 192.2.2 Sistema de generacin de vapor. ...................................................... 232.2.3 Sistema de generacin elctrica. ....................................................... 232.2.4 Clarificacin de jugo. ......................................................................... 232.2.5 Evaporacin del jugo. ........................................................................ 242.2.6 Cocimiento, cristalizacin y centrifugacin. ....................................... 252.2.7 Secado azcar. .................................................................................. 252.3 VARIABLES PRINCIPALES EN LOS SISTEMAS DE COGENERACIN 262.3.1 Rata de molienda. .................................................................................... 262.3.2 Bagazo. .................................................................................................... 272.3.3 Fibra por ciento caa. (Fibra%caa) ........................................................ 272.3.4 Bagazo por ciento caa. (Bagazo%caa) ................................................ 272.3.5 Generacin especfico de vapor. (GEV) ................................................... 282.3.6 Steam rate.(SR) ....................................................................................... 282.3.7 Consumo especfico de vapor para el proceso.(CEV).............................. 293 DISEO TRMICO DE LOS ESQUEMAS DE COGENERACIN ............. 303.1 TOPOLOGA DE LOS ESQUEMAS ......................................................... 313.2 ESQUEMA ACTUAL ................................................................................ 323.2.1 Descripcin del sistema de generacin de vapor. ............................. 333.3 ESQUEMA PROYECTADO ..................................................................... 363.3.1 Disponibilidad tecnolgica ................................................................. 373.3.2 Disponibilidad del combustible y demanda de vapor al proceso. ...... 40

3.3.2.1 Rata estndar .............................................................................. 40

3.3.2.2 Operacin fin de semana ............................................................ 45

3.3.2.3 Aprovechamiento hoja de caa ................................................... 48

4 ANLISIS EXERGTICO DE SISTEMAS TRMICOS .............................. 534.1 EXERGA ................................................................................................. 534.1.1 Evaluacin de la exerga. .................................................................. 54


4/106

4

4.1.2 Componentes de la exerga. .............................................................. 574.1.2.1 Exerga fsica. ............................................................................. 58

4.1.2.2 Exerga qumica. ......................................................................... 59

4.1.2.3 Exergas qumicas estndar. ....................................................... 60

4.2 RENDIMIENTO EXERGTICO EN SISTEMAS DE COGENERACIN . 614.3 ANLISIS EXERGTICO EN LA INDUSTRIA AZUCARERA .................. 635 COMPARACIN EXERGTICA DE LOS ESQUEMAS DECOGENERACIN ................................................................................................. 665.1 VLVULA DE EXPANSIN Y TERMO COMPRESOR ............................ 695.2 TURBINA PARA ACCIONAMIENTO MOLINO 5 ..................................... 695.3 TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTACIN AL DESAIREADOR . 695.4 GENERACIN DE VAPOR ...................................................................... 705.5 EFICIENCIA EXERGTICA DE LOS ESQUEMAS DE COGENERACIN 72

5.6

DESTRUCCIN DE EXERGA DE LOS ESQUEMAS DECOGENERACIN ................................................................................................. 745.7 VARIACIN EN LOS ESQUEMAS DE COGENERACIN ...................... 766 OPTIMIZACIN .......................................................................................... 806.1 INTRODUCCIN ..................................................................................... 806.2 OPTIMIZACIN DE SISTEMAS TRMICOS .......................................... 836.3 OPTIMIZACIN USANDO EL PROGRAMA EES .................................... 846.3.1 Determinacin de los valores mximos y mnimos en EES. .............. 856.4 FORMULACIN DE OPTIMIZACIN PARA LOS ESQUEMAS DECOGENERACIN ................................................................................................. 876.4.1 Procedimiento de la optimizacin. ..................................................... 88

6.4.1.1

Restricciones del sistema............................................................ 88

6.5 RESULTADOS ......................................................................................... 906.5.1 Esquema proyectado SGVTCP...................................................... 906.5.2 Esquema proyectado SGVTCON.................................................... 946.5.3 Esquema proyectado SGVTCON con aprovechamiento de hoja.. 97

6.5.3.1 Restriccin del sistema ............................................................... 97

7 CONCLUSIONES ..................................................................................... 1027.1 SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS .................................... 1038 REFERENCIAS BIBIOGRFICAS ........................................................... 105


5/106

5

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Contribucin de los sistemas descentralizados en el suministro deenerga. ................................................................................................................. 14

Figura 2. Incremento de capacidad instalada de MW en la industria azucareracolombiana ............................................................................................................ 15Figura 3. Volumen de control sistema de cogeneracin ........................................ 18Figura 4. Diagrama de proceso simplificado para obtencin de azcar a partir de lacaa de azcar ...................................................................................................... 19Figura 5. Desfibradora (Rein, 2007) ...................................................................... 20Figura 6. Molino tradicional de cuatro masas (www.scielo.org.co ,2007) .............. 21Figura 7. Diagrama esquemtico difusor de cama viajera. (Moya,2002) ............. 22Figura 8. Clarificador por flotacin cortesa Ingenio Providencia.......................... 24Figura 9. Esquema de evaporacin para concentracin de sacarosa. .................. 25Figura 10. Diagrama de flujo esquema de cogeneracin tpico de la industriaazucarera .............................................................................................................. 31Figura 11 .Esquema simplificado cogeneracin planta actual ............................... 35Figura 12.Esquema de cogeneracin proyectado a rata estndar ........................ 37Figura 13. Generacin especifica de vapor en funcin de la temperatura, presin yeficiencia de operacin. ......................................................................................... 38Figura 14.Influencia de la Fibra%caa en la generacin de energa elctrica ...... 41Figura 15. Influencia de la presin y temperatura de generacin de vapor en ladisponibilidad de combustible @ 230 TCH ............................................................ 42Figura 16. Influencia del consumo de vapor a proceso en la generacin de energaelctrica en Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas acontrapresin (SGVTCP)...................................................................................... 44Figura 17. Generacin de energa elctrica en sistemas de contrapresin condensacin (SGVTCON) influenciados por la demanda de vapor y estado delvapor de alta. ......................................................................................................... 46Figura 18. Escenario operacin de fin de semana o produccin autnoma dealcohol. .................................................................................................................. 47Figura 19. Influencia de la hoja de caa en la generacin especfica de energaelctrica en sistemas SGVTCON .......................................................................... 51Figura 20. Variaciones de la generacin energa elctrica en funcin del sistemade cogeneracin .................................................................................................... 52Figura 21. Volumen de control de un sistema combinado en un sistema cerradocon interaccin del ambiente circundante. ............................................................ 55Figura 22.Componentes de la exerga .................................................................. 57Figura 23. Definicin de estado muerto qumico para generar el mximo trabajo. 59Figura 24. Distribucin de irreversibilidades en el esquema de cogeneracinactual. .................................................................................................................... 67Figura 25. Exerga destruida en los equipos de cogeneracin para los esquemasactual y proyectado. .............................................................................................. 68Figura 26. Eficiencia exergtica de calderas a diferentes presiones y temperaturasde generacin de vapor. ........................................................................................ 70


6/106

6

Figura 27. Relacin de la humedad del bagazo en el ciclo de cogeneracin deenerga elctrica. ................................................................................................... 71Figura 28. Eficiencia exergtica sistemas SGVTCP y SGVTCON ....................... 72Figura 29. Exerga destruida a diferentes estados de generacin de vapor ......... 74

Figura 30. Coeficiente exergtico para sistemas SGVTCP y SGVTCON ............. 75

Figura 31 . Variacin de la exerga no utilizada en el bagazo excedentario, exergadestruida en planta y excedentes de energa ........................................................ 77Figura 32.Diseo ptimo en un dominio aceptable de diseo. .............................. 81Figura 33. Mximo global de una funcin objetivo ................................................ 82Figura 34. Ventana de parmetros para optimizacin por el mtodo de algoritmogentico ................................................................................................................. 87Figura 35. Evolucin AG para Esquema proyectado SGVTCP.......................... 90Figura 36. Curvas de desempeo escenario optimizado sistema SGVTCP ......... 92Figura 37. Evolucin AG para Esquema proyectado SGVTCP con apronte debagazo al 3%. ........................................................................................................ 94

Figura 38. Evolucin AG para Esquema proyectado SGVTCON........................ 94

Figura 39. Curva de eficiencia exergtica y potencia elctrica de salida sistemaoptimizado SGVTCON. ......................................................................................... 96Figura 40. Exerga til elaboracin Eficiencia exergtica planta vs Demanda devapor a elaboracin ............................................................................................... 97Figura 41. Evolucin AG para Esquema proyectado SGVTCON conaprovechamiento de hoja. ..................................................................................... 98Figura 42. Curva de eficiencia exergtica y potencia de salida sistema optimizadocontrapresin-condensacin con aprovechamiento de hoja. .............................. 100Figura 43. Distribucin de potencias en turbinas para sistema contrapresin-Condensacin con aprovechamiento de hoja ..................................................... 101


7/106

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Estimativos del potencial de produccin de electricidad en el sector

azucarero mundial ................................................................................................. 13

Tabla 2. Datos significativos sistema de cogeneracin actual............................... 36Tabla 3. Variacin de energa con el cambio de presin a temperatura constante 39Tabla 4.Datos significativos sistema de cogeneracin proyectado sin excedentede bagazo a rata estndar .................................................................................... 43Tabla 5. Evaluacin consumo de vapor para aumento de generacin elctrica ensistemas a 21,60 bar a @ 300 C ......................................................................... 45Tabla 6. Datos significativos sistema de cogeneracin proyectado fin de semanaproduccin autnoma de alcohol ........................................................................... 47Tabla 7. Caracterizacin bagazo y hoja de caa................................................... 49Tabla 8. Recuperacin de hoja disponible en el cultivo de caa del sectorcolombiano para un ingenio de 5000 toneladas das promedio ............................ 50Tabla 9. Composicin del bagazo ......................................................................... 66Tabla 10. Indicadores de desempeo exergticos para esquema actual yproyectado a 65,5 bar /510 C para aprovechamiento de bagazo excedentario. .. 78Tabla 11.Indicadores de desempeo exergticos para esquema actual yproyectado a 65,5 bar /510 C para aprovechamiento de bagazo excedentario. .. 79Tabla 12. Diseo optimizado del sistema SGVTCP maximizando la potenciaelctrica. ................................................................................................................ 91Tabla 13. Diseo optimizado del sistema SGVTCP maximizando la potenciaelctrica y aprontando bagazo al 3% .................................................................... 93Tabla 14. Diseo optimizado del sistema SGVTCON maximizando la potenciaelctrica. ................................................................................................................ 95Tabla 15. Diseo optimizado del sistema cogeneracin a contrapresin-Condensacin con aprovechamiento de hoja maximizando la potencia elctrica. 99


8/106

8

LISTA DE ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

AG Algoritmo genticob Exerga especfica Flujo de exergaCP Calor especficoCEE Consumo elctrico especficoCEV Consumo especfico de vaporEES Engineering Equation SolverGEV Generacin especifico de vaporh EntalpakWe Kilo Watt elctricos

m Masa Flujo msicoM.C Mquina de CarnotMRC Mxima rata de consumoP PresinPCI Poder calorfico inferiorQ Calor Tasa de transferencia de calorR Constante universal de los gasess Entropa especficaSGVTCP Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas a

contrapresinSGVTCON Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas aContrapresin y ContrapresinCondensacin

SR Steam rateT TemperaturaTC Tonelada de caa molidaTCH Tonelada de caa por horaTCON Turbina a condensacinTCP Turbina a contrapresinU Energa internaV Volumen

V.C Volumen de controlW TrabajoW Potenciax Fraccin msica


9/106

9

Subndice

e Entrada a un sistema de controli Inicial

s Salida de un sistema de controlo Estado termodinmico de referenciaoo Estado de referencia para exerga qumica

Superndice

CH QumicaKN CinticaPH FsicaPot Potencial


10/106

10

GLOSARIO DE TRMINOS PARA LOS CICLOS DE COGENERACIN EN LAINDUSTRIA AZUCARERA

Bagazo: fibra proveniente de la molienda de caa, a partir del ltimo molino, elcual es utilizado como combustible para generar vapor en las calderasacuatubulares.

Biomasa%caa:porcentaje de biomasa que se genera por unidad de caa

Brix: indica el porcentaje de solidos solubles en una solucin, este porcentaje estexpresado en el peso de la solucin

Consumo especfico de vapor:es el consumo vapor total de la planta por unidadde tonelada de caa molida.

Consumo elctrico especfico: es el consumo elctrico total de la planta porunidad de tonelada de caa molida.

Generacin especifica de vapor:es la masa de vapor generado por la calderapor la unidad de combustible utilizado.

Sistema de imbibicin: corriente de agua que se adiciona al bagazo, en cadauno de los molinos de caa para facilitar la extraccin de la sacarosa , estefenmeno se puede comparar con adicionarle agua a una esponja de bao paraposteriormente exprimirla y retirar con mayor facilidad el jabn que est contenidoen ella.

Steam rate: consumo especifico de vapor de la turbina para producir potenciaelctrica en los bornes del generador.


11/106

11

RESUMEN

Desde el inicio de la industria azucarera, se ha visto un importante crecimiento en

el desarrollo y uso de sistemas trmicos, donde el aprovechamiento del bagazode caa como combustible para generar energa trmica en forma de vapor, juegaun papel definitivo en el sostenimiento operativo y financiero de la industria.Debido a que estos sistemas trmicos se arraigan profundamente en los procesosde manufactura para la elaboracin del azcar y alcohol, al igual que en lacogeneracin de energa elctrica para el consumo interno de las fbricas,sobresale un potencial de generacin elctrica, proveniente de la utilizacin delvapor excedentario que no es producido para los procesos fabriles.

El sistema de cogeneracin de la planta es el responsable de la generacin devapor y electricidad, al igual que el mximo destructor de exerga. Entre losmuchos componentes que lo conforman se destacan el generador de vapor, elgrupo turbogenerador, el sistema de condensacin, la bomba de alimentacin ylas torres de enfriamiento. Todos los anteriores pueden ser diseados yseleccionados en un gran rango de especificaciones para conformar un esquema.

El presente trabajo tiene como objetivo determinar entre varios esquemas decogeneracin cual es el ptimo exergticamente, maximizando la generacinelctrica, a partir de la produccin del vapor que satisface la demanda energticade la planta, buscando siempre la mayor eficiencia exergtica del sistema quegarantice la operacin de la planta sin necesidad de consumo de combustiblesalternos, diferentes a los entregados por la molienda de caa. Es decir, losesquemas aqu propuestos se basan primordialmente en satisfacer lasnecesidades de energa que requiere cada proceso para transformar la caa en:azcar, alcohol y electricidad.

Se usar para ello el anlisis exergtico, el cual se basa en la aplicacinsimultnea de la Primera y Segunda ley de la Termodinmica a los componentesdel sistema de cogeneracin y posteriormente un algoritmo de optimizacin quemaximizar la generacin elctrica, teniendo en cuenta las restricciones msrepresentativas del ciclo de cogeneracin.

Los esquemas aqu evaluados proponen elevar la presin y temperatura degeneracin de la caldera hasta 75,5 bar (g) y 550 C, electrificacin de losaccionamientos mecnicos y evaluar la integracin trmica de los procesos. Conello, se muestra que la eficiencia exergtica y la generacin elctrica semaximizan en comparacin con las actuales y concluye la importancia de llevar acabo estudios que utilicen el potencial de energa de estas plantasdireccionndolas a incrementar la venta de excedentes de electricidad y porconsiguiente hacer un uso ms eficiente y racional de la energa.


12/106

12

1 INTRODUCCIN

1.1 COGENERACIN EN LA INDUSTRIA AZUCARERA

El uso de biomasa como recurso principal de energa para la generacin detrabajo y calor de forma combinada (sistema de cogeneracin), es la principalforma comercial, tcnica, financiera y ambientalmente viable para producirpotencia elctrica a partir de fuentes renovables.

En la actualidad se tienen dos maneras de producir energa a partir de la biomasa.La primera es por un ciclo de potencia Rankine, mediante el cual se quema elbagazo dentro de calderas acuatubulares produciendo vapor, para ser expandido

en turbogeneradores y posteriormente suplir la demanda de calor al proceso deelaboracin de azcar, alcohol y mieles. El segundo que puede ser potencialmenteutilizado, es el aprovechamiento energtico del bagazo en un ciclo para turbinasde gas. En este sentido la tecnologa integrada de gasificacin puede ser muyatractiva para su implementacin en ingenios azucareros con bajo consumo devapor. Los elementos bsicos comprenden el gasificador de bagazo, un sistemade limpieza de gas, la turbina de gas alimentada por la combustin de la biomasagasificada, una caldera recuperadora y una turbina de vapor para producir mselectricidad y el calor requerido al proceso de elaboracin de azcar yalcohol.(Escobar;Yaez;Silva;Venturini,2012)

Por lo anterior, el volumen de biomasa que se obtiene de la molienda y los costosactuales de los sistemas de generacin de vapor y energa elctrica, son muyatractivos para implementar proyectos de cogeneracin.

Con relacin a la cogeneracin, la tabla 1 presenta los estimativos realizados porla Alianza Mundial para los sistemas descentralizados (WADE) acerca delpotencial de produccin de electricidad y de contribucin de los proyectos decogeneracin provenientes del sector azucarero en los sistemas energticos anivel mundial. En el caso colombiano, para una produccin de 36 millones detoneladas anuales de caa (para producir azcar, alcohol y panela), lacontribucin potencial a la demanda nacional de electricidad estara cercana al

10% anual. (Proyecto PNUD; ASOCAA; Ministerio de MedioAmbiente;UPME,2005).


13/106

13

Tabla 1. Estimativos del potencial de produccin de electricidad en el sectorazucarero mundial

Produccin de

caa de azcar(t / ao)

Potencial de

produccin deelectricidad(GWh / ao)

Potencial como

% de lademandaelctrica nacional

Brasil 386 232 000 38 623 11,5India 290 000 000 29 000 5,83China 93 900 000 9 390 0,72Tailandia 74 071 952 7 407 8,15Pakistn 52 055 800 5 206 8,36Mxico 45 126 500 4 513 2,42Colombia 36 600 000 3 660 9,19

Australia 36 012 000 3 601 1,95Cuba 34 700 000 3 470 25,9USA 31 178 130 3 118 0,09TOTAL 1 350 293 120 135 029 0,97

Fuente: WADE, 2004, Bagasse CogenerationGlobal Review and Potencial, June

Es importante nombrar que los sistemas de cogeneracin empezaron con modelosa pequea escala, que provean la energa elctrica necesaria para sus procesos,sin embargo con el tiempo el aumento siempre creciente de la demandaenergtica interna oblig a las fbricas a reforzar sus sistemas de produccin devapor y electricidad. Adems, los menores costos de equipos de transmisin depotencia, las consideraciones de seguridad energtica y la creciente preocupacinambiental motivaron a la industria azucarera a entrar al mercado de energadescentralizada, logrando hacer resurgir el inters en la generacin de energacon combustible limpio y renovable como lo es la biomasa a nivel mundial.

La figura 1 muestra la contribucin de los sistemas descentralizados(cogeneracin, renovables y reciclaje) en el suministro de energa en diferentespases en el ao 2004. (Proyecto PNUD; ASOCAA; Ministerio de Medio

Ambiente;UPME,2005)


14/106

14

Figura 1. Contribucin de los sistemas descentralizados en el suministro deenerga.

Fuente: WADE, 2004, Bagasse Cogeneration: A Coming Renewable EnergyMiracle, June

Siendo as, se destaca la importancia de estudiar proyectos que utilicen estepotencial de energa almacenada, para generar desarrollo sostenible a losaccionistas y la comunidad en general, optimizando la inversin, y los costos deoperacin y mantenimiento, direccionados a:

Incrementar la venta de excedentes de electricidad Aumentar la eficiencia de generacin de vapor Maximizar y usar eficiente y racionalmente la energa

Actualmente se viene implementando en la industria azucarera Colombiana 8proyectos para alcanzar un total de 287 MW de capacidad instalada y congeneracin de excedentes de 121 MW en 2014, cuya inversin asciende a USD325 MM,Figura 2 la muestra los incrementos anuales.


15/106

15

Figura 2. Incremento de capacidad instalada de MW en la industria azucareracolombiana

Fuente: Londoo Capurro, Luis F. Sector Azucarero Colombiano. Asocaa, 2011

En consecuencia este proyecto desea determinar entre varios esquemas decogeneracin, cual es ptimo exergticamente con viabilidad tcnica, quesatisfaga las demandas energticas de la planta y maximice la generacin deenerga elctrica.

1.2 JUSTIFICACIN

Durante la historia del desarrollo industrial, se ha visto como el desarrollo de laciencia ha utilizado varias formas de convertir la energa almacenada en uncombustible, para utilizarla en la mayora de nuestras tareas diaria

La optimizacin de un sistema trmico es a menudo usada por fines lucrativos ode costo, aunque muchos otros aspectos como el peso, la eficiencia, la generaciny consumo elctrico estn incluidos dentro de la optimizacin, dependiendo de laaplicacin del sistema.

Para un proyecto de cogeneracin entre los muchos componentes que lo formanse destacan, el generador de vapor, el grupo turbogenerador, el sistema decondensacin, la bomba de alimentacin y las torres de enfriamiento, etc. Loscuales pueden ser diseados y seleccionados en un gran rango deespecificaciones. El sistema de control y los rangos de operacin tambin puedenvariar. Adems la geometra del montaje, las dimensiones, los materiales de los


16/106

16

equipos son variables importantes que distinguen cada uno de los esquemas decogeneracin que puedan proyectarse, dando entonces opciones seguras yoperables, que deben satisfacer un espacio de solucin restringidos por variablesdel proceso de elaboracin de azcar como lo es la temperatura, presin y flujo

msico del gas de escape, consumos de agua, energa elctrica, emisiones dematerial particulado producido por la combustin del bagazo, entre otras.

Con todo lo anterior se intenta maximizar la produccin de energa elctrica y laeficiencia exergtica del sistema de cogeneracin de la planta, responsable de lageneracin de vapor y excedentes de electricidad para la venta. De esta forma seminimiza los costos de obtencin de estos productos.

Lo anterior servir para:

Validar metodologas de optimizacin aplicados en el campo de laingeniera mecnica.

El modelo matemtico y mtodo de optimizacin aplicado podr utilizarseen nuevos proyectos de cogeneracin proyectados en la Industria

Azucarera.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar y optimizar exergticamente diferentes esquemas para el sistema decogeneracin tpico de la Industria Azucarera.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

1. Especificar detalladamente el sistema de cogeneracin para un IngenioAzucarero.

2. Disear trmicamente los esquemas de cogeneracin.3. Realizar el anlisis exergtico de los esquemas.4. Optimizar exergticamente los esquemas de cogeneracin.

1.3.3 DIVISIN DE CAPTULOS

Este proyecto de grado est divido en 7 captulos:

El captulo 1muestra una breve descripcin del problema planteado, al igual quela justificacin del estudio exergtico de los esquemas de cogeneracin de laindustria azucarera y se presenta de manera concisa los objetivos de esteproyecto.


17/106

17

El captulo 2detalla brevemente el sistema de cogeneracin actual de la industriaazucarera, explicando cada uno de los procesos que convierten o transformanenerga, para obtener azcar, alcohol y electricidad.

El captulo 3describe el sistema de cogeneracin actual y el esquema proyectadopresentando sus principales variables como son la presin y temperatura degeneracin de vapor, el consumo de combustible y vapor al proceso, generacinelctrica, etc., adems muestra aspectos tecnolgicos de los equipos quecomponen el sistema.

El captulo 4 describe los conceptos bsicos de la exerga y rendimientoexergtico, seguido de una revisin bibliogrfica de los diferentes trabajospublicados acerca de este tema.

En el captulo 5se realiza el anlisis y evaluacin exergtica de los componentesy procesos de conversin de energa en los esquemas de cogeneracin definidosen el captulo 3, enseando en donde se destruye mayor cantidad de exerga,para finalizar con el clculo del rendimiento exergtico y comparacin de esteentre los diferentes esquemas.

En el captulo 6 se realiza la optimizacin para los esquemas de cogeneracindefinidos en el captulo 3, maximizando la potencia elctrica, mostrando el mtodode optimizacin utilizado al igual que los resultados que obtiene referente a laeficiencia exergtica.

En el captulo 7se presentan en forma lgica los resultados del presente trabajo,dando respuesta a los objetivos y propsitos planteados en el captulo 2


18/106

18

2 SISTEMA DE COGENERACIN DE ENERGA EN LA INDUSTRIA

AGROINDUSTRIAL CAERA

Este captulo tiene como propsito describir brevemente el proceso industrial deconversin de energa de la caa de azcar, involucrando nicamente en elvolumen de control el sistema de cogeneracin. Sin embargo se mencionan losprocesos de elaboracin de azcar, desde la preparacin de la caa y extraccinde la sacarosa hasta la centrifugacin de meladura y secado del azcar.

2.1 Procesos de transformacin de energa

La transformacin de energa en un Ingenio Azucarero, empieza desde la siembraen los campos del territorio nacional, hasta la produccin de azcar, alcohol, vapor

y electricidad. Bienes que distinguen a esta industria entre muchas otras, como unproceso integral que aprovecha todos los subproductos que genera y los convierteen energa renovable y limpia.

El sostenimiento energtico de este tipo de plantas se ha relacionado muyestrechamente con un sistema de cogeneracin de energa que bsicamente sedescribe en laFigura 3:

Figura 3. Volumen de control sistema de cogeneracin

2.2 PROCESOS GENERALES DE LA TRANSFORMACIN DE ENERGA APARTIR DE LA CAA DE AZCAR

El proceso de obtencin del azcar se puede dividir en 9 etapas, las cuales secaracterizan por transformar energa;

Preparacin de la caa; Extraccin de sacarosa; Generacin de vapor; Generacin elctrica;

Sistema decogeneracin

Combustible Biomasa(Bagazo y/o Hoja)Energa elctrica consumointerno

Excedentes de

energa elctrica

Vapor a proceso


19/106

19

Clarificacin de jugo; Evaporacin del jugo; Cristalizacin (Cocimiento); Centrifugacin;

Secado azcar.La demanda de vapor en el proceso, ocurre principalmente en la evaporacin del

jugo, donde se consume el vapor generado por el sistema de cogeneracin, segnlaFigura 4.Adems en ella se puede observar la interaccin de cada uno de losprocesos sobre la materia prima con sus respectivos productos.

Figura 4. Diagrama de proceso simplificado para obtencin de azcar a partir de lacaa de azcar

A continuacin se describen los sistemas de la planta:

2.2.1 Sistema de preparacin y extraccin de sacarosa.

La caa despus de ser cosechada y trasportada desde el cultivo hasta la fbricadebe ser preparada mediante un proceso de reduccin del tallo en pequeas

Preparacin de

caa

Extraccin de

sacarosa

Clarificacinde jugo

Evaporacinde jugo

Generacin

de vapor

Centrifugacin Cristalizacin

de meladura

Secado deazcar

Generacinelctrica

Caa Fibra Bagazo

Vapor de altapresin

Vapor de bajapresin

Energaelctrica

Jugo

Jugoclarificado

Meladura

Masa

Azcarhmedo

Mieles

Azcarseco

Destilacin Alcohol

Vinazas


20/106

20

partes. El objetivo principal es entregar una masa homognea y compacta defibras, de modo que se facilite el proceso de extraccin del jugo en el molino. Esteproceso se realiza con picadoras de cuchilla fijas o martillos montados en brazosbasculantes. Los equipos de preparacin pueden consumir ms del 25 %

requerimiento total de energa en fbrica, por ello los accionamientos deben ser dealta eficiencia.

Conforme describe Rein (2007), el objetivo de la preparacin es reducir al mximoposible la estructura celular interna de la caa para facilitar la extraccin delazcar.

En la actualidad, los equipos que presentan mayor ndice de preparacin son lasdesfibradoras de trabajo pesado, siendo accionadas por turbinas de vapor de 1 a 3etapas, las cuales operan a eficiencias isentrpicas no mayores del 60%, y steamrate de (SR) 24 lb v /kWh. Se pueden observar en la Figura 5.

Figura 5. Desfibradora (Rein, 2007)

La extraccin de sacarosa se puede realizar de dos formas por compresin o pordifusin.

El primero se hace ejerciendo compresin mediante molinos de 3 o 4 masas,dispuestas en forma triangular, segn la Figura 6, de modo que la fibra esexprimida 2 veces (a la entrada y salida).

Generalmente las masas inferiores estn fijas y el ngulo apical que forman con la

masa superior controla la capacidad de entrada de fibra al molino.


21/106

21

Figura 6. Molino tradicional de cuatro masas (www.scielo.org.co ,2007)

Para sistemas de extraccin de sacarosa por compresin, es usual encontrar de 4a 7 molinos en lnea, dndose en el primero la mayor extraccin con valores queoscilan entre 50 - 70%, para despus enviar el bagazo por el resto del tandem ycompletar la extraccin.

Para aumentar la extraccin de sacarosa se utiliza un sistema de imbibicin encontracorriente con flujos de agua caliente entre 200 - 300 kg agua por toneladade caa hora (kg agua/TCH) .

La segunda forma de extraccin, se hace mediante la difusin. Esta se basa en

extraer la sacarosa de la caa preparada en un flujo de agua caliente acontracorriente, mediante una transferencia de masa caa preparada-agua.

El proceso se divide en 2 partes:

La primera etapa es un proceso de lavado continuo presentndose unalixiviacin de sacarosa;

La segunda etapa consiste en pasar el jugo por un proceso de intercambiofsico-qumico provocado por presin osmtica generndose una difusincelular.

Despus del proceso de difusin, el bagazo que debe ser enviado comocombustible a la caldera es exprimido para retirar la humedad residual en unmolino convencional.


22/106

22

El sistema de difusin requiere en trminos de energa, habitualmente segnNETO (2008) 3,5 kWh/TCH incluyendo todas sus partes, adems de 60 a 100 kgvapor / TCH para mantener la temperatura del agua de imbibicin.

La temperatura del agua es muy importante ya que, esta garantiza unadisminucin de la viscosidad en la fibra e incrementa la difusin molecular,generalmente se utiliza valores de 80 C en el agua de imbibicin, aprovechandoadems la anulacin del crecimiento de microorganismos que pueden generarinversin de la sacarosa. En laFigura 7,se muestra un diagrama esquemtico deun difusor de cama viajera.

Figura 7. Diagrama esquemtico difusor de cama viajera. (Moya,2002)

En general, los molinos son altos consumidores de potencia entre 14-17kWh/TCH, sin embargo, los difusores disminuyen el brix del jugo y el proceso deevaporacin requiere mayor consumo de vapor y calor, ya que el agua deimbibicin debe estar entre 65 - 80 C.

Ahora en comparacin, la extraccin recuperada del molino llega a valores del 96-97%, mientras que los difusores pueden extraer cerca del 99%. Un valor muy

atractivo para los volmenes de caa que son procesados anualmente.Posteriormente el bagazo residual es utilizado como combustible para alimentarlas calderas y activar el sistema de cogeneracin en la planta, distribuyendo calory energa elctrica.


23/106

23

2.2.2 Sistema de generacin de vapor.

El combustible proveniente de la molienda (Bagazo), es utilizado en la calderapara generar vapor y satisfacer las necesidades energticas de la planta mediante

un sistema de cogeneracin, que entrega energa elctrica y vapor de diferentescalidades, al proceso de azcar y alcohol.

Para este paso, el paquete tecnolgico que se tiene implementado juega un papelfundamental, ya que su eficiencia trmica da un panorama inicial de eficiencia detodo el ciclo de cogeneracin.

Usualmente se utilizan calderas bagaceras de parrillas viajeras o basculantes, lascuales generan vapor sobrecalentado a presiones de entre 20,68 - 44,81 bar (g)[300650 psi (g)] y temperaturas entre 300400 C [572750 F], dicho vapores conducido en su gran mayora a turbogeneradores de contrapresin (donde segenera la energa elctrica), con presiones de escape de 1,37 bar (g) [20 psi (g)]para ser suministrado al proceso fabril.

2.2.3 Sistema de generacin elctrica.

El tamao de la planta elctrica depende de:

La disponibilidad de combustible que se tiene para producir vapor La presin y temperatura del vapor a la entrada del turbo generador El esquema de cogeneracin

Los factores anteriores determinan la potencia elctrica generada ya sea,utilizando turbogeneradores de contrapresin o condensacin con extracciones.Todo esto garantizando que, por medio de los turbos se conduzca el vapornecesario para satisfacer la demanda de calor al proceso de fbrica y se produzcatrabajo til en el los bornes del generador elctrico de la turbina.

Los steam rate (SR) de las turbinas que actualmente operan en los ingeniosmodernos, oscilan entre 5,49 10,88 kg vapor / kWh [12,1 - 24 lb vapor/kWh],teniendo una eficiencia isentrpica cercana al 83 %.

2.2.4 Clarificacin de jugo.

Los jugos provenientes del proceso de separacin y extraccin de sacarosa, traenimpurezas inherentes al cultivo, cosecha, transporte y preparacin de la caa, porlo anterior la separacin de tales impurezas, se hace a travs de un proceso declarificacin del jugo, adicionndole floculante, lechadas de sacarato u otrosqumicos. Para este paso, es necesario calentar el jugo antes de clarificar a noms de 105C y pasarlo por un tanque flash. Los lodos que flotan son enviados a


24/106

24

filtros rotatorios para recobrar la sacarosa que contiene los mismos y retornarlos alproceso. En la Figura 8 se puede observar un clarificador tpico usado en laindustria azucarera colombiana.

Figura 8. Clarificador por flotacin cortesa Ingenio Providencia

2.2.5 Evaporacin del jugo.

El jugo clarificado sufre un proceso de concentracin, por va de eliminacin deagua a lo largo de evaporadores que estn dispuestos en Tndem, con el fin deproducir cristales de azcar .El calor proveniente del vapor de escape de losturbogeneradores a 125C y 1,37 bar (g) ( se condensan en su totalidad durante elprimer efecto),entran al primer efecto o pre evaporador, para realizar unintercambio de energa entre jugo-vapor y as elevar el brix del jugo desde 14 -17Brix, hasta 6770Brix. Este proceso de concentracin de jugo produce vaporesvegetales o gases y son usados en los siguientes evaporadores o efectossucesivamente como fuente de calor para seguir concentrando el jugo.

Los vapores vegetales o gases, adems de suplir vapor para los efectos deevaporacin normalmente son utilizados en los procesos de calentamiento de

jugo, cocimiento y cristalizacin de la meladura o jugo concentrado del quintoefecto.

En laFigura 9 , se puede ver los sistemas comunes de evaporacin por efectos enevaporadores tipo Roberts con sus respectivos vapores vegetales.


25/106

25

Figura 9. Esquema de evaporacin para concentracin de sacarosa.

Es de mencionar, que el proceso de evaporacin es el mayor demandante devapor de escape del sistema de generacin elctrica. De all, que es uno de lossistemas a tener en cuenta cuando se va a hacer un diseo de integracinenergtica en las fbricas sucroalcoholeras.

2.2.6 Cocimiento, cristalizacin y centrifugacin.

La meladura es hervida en los tachos donde se adiciona semilla (pequeoscristales de azcar) para empezar el proceso de cristalizacin y obtencin delgrano, estos equipos solicitan suministro de calor, el cual es abastecido por los

gases generados por el tndem de evaporacin.Posteriormente esta masa (azcar y mieles) se pasa por cristalizadores queperfeccionan el grano y se separa el azcar de la masa por equipos decentrifugacin.

2.2.7 Secado azcar.

El azcar ya separado de la masa, contiene una humedad remanente que debeser extrada para evitar aterramiento y satisfacer las calidades exigidas por losclientes. Para ello se utiliza comnmente secadores rotatorios, que remueven la

humedad, haciendo un intercambio directo de calor en contracorriente de airecaliente y azcar hmedo.

El aire se calienta a travs de un intercambiador de calor, donde la fuente deenerga es vapor de escape proveniente de las turbinas.

VAPORES VEGETALES O GASES

CONDENSADOS PARA CALDERAS Y UTILIDADES FBRICA

Vapor

de

escape

Jugo

Meladura


26/106

26

2.3 VARIABLES PRINCIPALES EN LOS SISTEMAS DE COGENERACIN

El proceso de cogeneracin, como cualquier ciclo de potencia requierecombustible para transformar esta fuente primaria de energa, en vapor y

electricidad. Por lo tanto, la disponibilidad de la biomasa es un factor primordialcuando se estudia este tipo de ciclos.

Los ingenios azucareros generalmente, implementan sistemas de cogeneracinque contiene equipos muy similares, diferencindose primordialmente en sucapacidad de generacin elctrica y vapor, inducidos por las capacidades demolienda, que a su vez implican mayor consumo vapor y por consiguientedisponibilidad de bagazo. Sin embargo, debido al incremento de la produccin enlas fbricas y por consecuencia el aumento del consumo de energa en losprocesos, es habitual hallar ingenios que trabajan con vapor a diferente presin ytemperatura para abastecer los sistemas de generacin de energa elctrica,

entregar el vapor de escape para el proceso con el mismo estado termodinmico.Ahora, con el paso del tiempo las tecnologas de accionamiento para los equiposde alta demanda de energa como molinos y picadoras, han pasado de turbinas devapor a motores elctricos, esto repercuti en la disminucin de demanda devapor para producir trabajo y utilizarlo para generar energa en turbo generadoresde alta eficiencia, ampliando as la generacin especfica de energa por toneladade caa molida.

De acuerdo a lo anterior, se definen las variables principales del proceso, paradisear y/o simular el sistema de cogeneracin, los cuales influyen ampliamenteen el desempeo del ciclo, tales son:

Rata de molienda; Bagazo; Fibra por ciento caa; Bagazo por ciento caa; Generacin especifica de vapor; Steam rate; Consumo especfico de vapor al proceso.

2.3.1 Rata de molienda.

Esta variable est ligada principalmente a la capacidad del campo y la cosechapara suministrar caa como materia prima y posteriormente ser procesada en lafbrica. Generalmente, se tiene en cuenta el tiempo perdido de produccin, ya seapor fallas en fbrica o en el abastecimiento de caa de la cosecha por tiemposlargos de lluvias o por su mismo sistema logstico.


27/106

27

Se representa por:

=

Ec. 1

2.3.2 Bagazo.

Es un subproducto del proceso de extraccin de sacarosa, es de consistenciafibrosa y su potencial de combustin depende del proceso de cultivo, cosecha yextraccin de la caa. Este subproducto es quiz el ms importante debido a supotencial de comercializacin, ya sea como combustible, base para papel, materialestructural, entre muchas otras aplicaciones.

El uso eficiente del bagazo como combustible es uno de los principales tpicos deeste trabajo con el fin de optimizar el sistema de cogeneracin.

2.3.3 Fibra por ciento caa. (Fibra%caa)

La caa de azcar est constituida principalmente por tres elementos:

Agua Fibra Sacarosa

La fibra est compuesta por los slidos insolubles en el agua, adems poseenclulas de paredes fuertes, cilndricas y duras.

2.3.4 Bagazo por ciento caa. (Bagazo%caa)

La cantidad de bagazo generado durante el proceso de extraccin, se relaciona deacuerdo al balance de fibra en la entrada y salida del molino o difusor, as, porejemplo si el proceso se ejecuta en un molino se llama bagazo de 1er, 2do, 3er,4toy, 5to y 6to molino. En este proyecto se llamara BAGAZO al bagazo final delltimo molino.Por lo pronto, el porcentaje de bagazo vara de la siguiente forma:(HUGOT,E.:1986)

= 1 0 0 Ec. 2

dnde:


28/106

28

= [] = [] = [%] = [%] = [%]2.3.5 Generacin especfico de vapor. (GEV)

Este es un ndice que relaciona la cantidad de vapor generado por unidad decombustible, teniendo en cuenta la presin y temperatura de generacin, el podercalorfico del combustible, la temperatura de entrada del agua y la eficiencia de lacaldera

La siguiente ecuacin representa este ndice, despus de aplicarle la primera ley

de la termodinmica a la caldera, despreciando los gases de chimenea:

=

( ) Ec. 3

dnde:

= [kg/s] = [/] = [kJ/kg] = [kJ/kg] = [kJ/kg] = [%]2.3.6 Steam rate.(SR)

ndice que relaciona la cantidad de vapor necesario para generar potenciaelctrica en las turbinas, teniendo en cuenta la presin y temperatura a la entraday salida, y la eficiencia isentrpica de la turbina.(Bloch,Heinz;Singh,Murari;2009)

= Ec. 4dnde:

= [] = [ ]


29/106

29

=

2.3.7 Consumo especfico de vapor para el proceso.(CEV)

Normalmente las fbricas presentan ndices de consumo de vapor por tonelada decaa procesada para su proceso de transformacin de la caa de azcar. Estendice junto con la cantidad de combustible (Bagazo) implcito en la caaconducen a la generacin elctrica disponible del sistema de cogeneracin.

El consumo puede variar dependiendo de la configuracin de la planta de azcar yalcohol, las tecnologas en equipos que se tengan instalados, las calidades deazcar que se estn produciendo. No obstante, si se tiene un bajo consumo devapor en el proceso de azcar, primero indica una buena eficiencia energtica enel proceso de azcar y segundo una mayor generacin elctrica para el sistema

de cogeneracin, ya que se utiliza este vapor sobrante en turbinas decondensacin.

LaEc. 5 representa la cantidad de vapor requerido al proceso

=

Ec. 5

De los procesos y variables aqu descritas se modelarn los esquemas decogeneracin. Sin embargo solo se tendr en cuenta como variables principales,el combustible disponible de la molienda (Bagazo), la generacin de vapor yenerga elctrica y la demanda de vapor al proceso descrito como CEV. Por lotanto, es importante aclarar que el CEV ser una variable que aumenta odisminuye en cada escenario y que en este trabajo no se estudiarn modelos dereduccin de consumos de vapor.


30/106

30

3 DISEO TRMICO DE LOS ESQUEMAS DE COGENERACIN

Dentro del contexto de operacin y transformacin de energa en los sistemas decogeneracin de la industria azucarera de caa, se encuentran diferentes

configuraciones de los equipos principales que conforman dichas plantas. Estecaptulo tiene como objetivo describir como estas configuraciones o esquemas secomportan en el mbito de la primera ley de la termodinmica y de esta maneracomparar sus parmetros principales como son: el consumo de combustible, laeficiencia trmica y la generacin de vapor y potencia elctrica.

Los esquemas aqu propuestos se basan primordialmente en satisfacer lasnecesidades de energa que requiere cada proceso para transformar la caa en:

Azcar Alcohol

Electricidad

Para el modelamiento termodinmico se tuvo en cuenta, los equipos degeneracin de vapor, energa elctrica y los procesos globales que demandanvapor como elaboracin, destilera y molinos.

No se tuvo en cuenta los procesos especficos como tal, es decir el modelamientodel sistema de evaporacin y cocimientos, al igual que destilacin y deshidratacinde alcohol, y concentracin de vinaza en la planta de alcohol.

El diseo de los sistemas comienza con la disponibilidad de combustible para

implementar los parmetros de operacin de la caldera y posteriormente lasturbinas de vapor y el agua de recirculacin. La generacin elctrica dentro delmodelo est ligada a la demanda de vapor en los procesos y como resultadoresuelve el sistema calculando el combustible, los flujos de vapor en cadacomponente del sistema, la potencia en las bombas de alimentacin y equipos deprocesos accionados por turbinas de vapor. En la Figura 10 , puede verse conms claridad, la disposicin general de un esquema de cogeneracin tpico de laindustria azucarera

Por ltimo, para el clculo de la combustin del bagazo, se tom en cuenta lacomposicin del material y la humedad del mismo, con el fin de obtener su poder

calorfico y la cantidad de gases de combustin.


31/106

31

Figura 10. Diagrama de flujo esquema de cogeneracin tpico de la industriaazucarera

3.1 TOPOLOGA DE LOS ESQUEMAS

En el momento en que se decide disear los esquemas de cogeneracin, se tuvoen cuenta topologas convencionales de la industria azucarera, adems se incluyen el modelamiento bsico las tecnologas y disposiciones instaladas degeneracin de vapor y energa elctrica para accionamiento de equipos ysuministro de calor a los procesos.

Ahora, dentro del argumento del uso racional de la energa y trayendo a colacinel anlisis termodinmico que se propone en este proyecto, se seleccion dosesquemas de cogeneracin:

Esquema actual;

Esquema proyectado con 3 escenarios de molienda:

Rata estndar Fin de semana Aprovechamiento hoja de caa.

Teniendo en cuenta que para el esquema proyectado, se analizar:

Caldera

Turbinas para

generacinelctrica

Tanque de

condesadosBomba de

alimentacin

Turbinas para

accionamiento

de equipos

Destilera

de alcohol

Elaboracin

de azcar

Lnea de vapor de alta

Bagazo

Lnea de vapor de baja

Lnea de condensados


32/106

32

La disponibilidad tecnolgica y ; La disponibilidad de combustible y demanda de vapor

Se toma como escenario base, el esquema actual, donde se hallan los parmetros

de operacin, que representan las tecnologa del sector azucarero en Colombia yposteriormente se modela un escenario proyectado, que propone opcionestecnolgicas para el sistema de cogeneracin, que estn ampliamentecomprobadas en el sector termoelctrico y permiten realizar modificaciones alproceso de conversin de energa en las fbricas de azcar, sin comprometer ladisponibilidad de combustible y la estabilidad en la operacin, las cuales son:

Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas acontrapresin (SGVTCP)

Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas aContrapresin y ContrapresinCondensacin(SGVTCON)

3.2 ESQUEMA ACTUAL

La central de cogeneracin convencional, generalmente funciona a base debagazo, fuel ol N2 y carbn, los dos ltimos como combustible alterno queacompaa al bagazo de caa. La planta funciona en un ciclo cerrado Rankine, elcual cuenta por lo menos, con 2 unidades generadoras de vapor, que proveen elcalor demandado al proceso y generan energa elctrica por turbogeneradores decontrapresin de baja eficiencia (debido a la tecnologa y presiones de operacin).

Los equipos principales de la central en este esquema son:

Calderas de vapor de biomasa; Turbinas de vapor; Bombas de alimentacin; Sistema de condensacin (Proceso de elaboracin, destilera y

accionamiento de equipos mecnicos).

Los ciclos de cogeneracin para las plantas de azcar y alcohol actuales, serestringen por el estado de vapor que requiere el proceso, por lo tanto, en elsistema de generacin de electricidad se usa turbinas de vapor a contrapresin

con eficiencias isentrpicas que pueden variar entre 60-83%, que garantizan unvapor para el proceso, tpicamente de 1,37 bar (g) [20 psi (g)] con unatemperatura un poco superior a la regin de vapor saturado.


33/106

33

3.2.1 Descripcin del sistema de generacin de vapor.

Uno de los objetivos de este proyecto es conocer las eficiencias de los equipostanto energtica como exergticamente, e implementar esquemas de operacin

que combinen los equipos y los flujos de operacin. Por consiguiente, segn eltem 2.2.2 de este trabajo, actualmente la mayora de los ingenios colombianosoperan sistemas de generacin de vapor con calderas que queman bagazo comocombustible principal. Las presin de operacin del vapor oscila entre 20,68-44,81bar (g) [300650 psi (g)] a temperaturas entre 300400 C [572750 F]respectivamente.

Es de resaltar, que el diseo de las calderas han avanzado a travs del tiempocon el fin de optimizar la operacin, el mantenimiento y el costo efectivo del grupogenerador de vapor. Algunas de las mejoras ms significativas se nombran acontinuacin:

Aumento de la presin y temperatura de generacin para incrementar lapotencia de generacin elctrica.

Disminucin de la erosin en los tubos debido a velocidades altas engas, cambiando los bancos de conveccin multi pasos a banco deconveccin simple.

Domos de presin ms largos con el fin estabilizar el control de nivel delagua-vapor

Estos cambios estn relacionados, al rumbo que ha tomado el mercado de lageneracin de energa elctrica del ciclo de cogeneracin, donde la potenciaexcedente del sistema es entregada al sistema elctrico nacional, por consiguienteel diseo de las calderas de vapor requieren cambios en el tamao del hogar, alrea de transferencia de las partes de conveccin, como el economizador y lanecesidad de utilizar ms de dos sobre calentadores para alcanzar el estado devapor sobre calentado y de esta manera, dar respuesta rpida a los cambios dergimen de operacin de la caldera, ya que esta suple de vapor a un procesoproductivo de azcar que incluye muchos equipos por baches como lo son lostachos elaboracin y refinera e azcar, adems de equipos que requieren unademanda elctrica grande que entran y salen constantemente del sistema comolos motores elctricos de las centrifugas de azcar y molinos.

La forma y el tamao del hogar estn ceidos por el tipo de combustible a quemary la cantidad de ceniza en el mismo. Por lo general, se disean hogares o hornosde gran altura, ya que otorga un rea amplia de calentamiento (o intercambio decalor) para el proceso de evaporacin del agua y mayor tiempo de retencin delgas de combustin, ayudando a que la ceniza se precipite en la parrilla y noerosione las dems partes de intercambio de calor al seguir su rumbo a travs dela caldera como el banco principal, economizador, calentadores de aire, etc.


34/106

34

Las eficiencias para calderas de ltima generacin han mejorado ostensiblemente,en virtud a que la energa de los gases de combustin, se utilizan para calentar elagua de alimentacin, con la implementacin de economizadores. Adems seaumenta la temperatura del aire del tiro forzado mediante calentadores de aire

primario y secundario. Se han conseguido mejoramientos en la combustin delbagazo con parrillas rotativas pinole o de lecho fluidizado, ofreciendo eficienciasde conversin del 97%, entre muchos otras implementaciones de instrumentaciny control que estabilizan la operacin de la caldera.

Todos estos con el fin de reducir la temperatura desde la combustin dentro delhogar de 935 985 C, a 135 C en la salida de la chimenea.

Otro aspecto relevante, est relacionado con el nmero de domos utilizado en lascalderas de biomasa, lo cual represent un avance significativo para la industriaazucarera, ya que al inici se tenan diseos de calderas con tres domos, lo cualen la mayora de los casos no permita generar vapor a ms de 59 890 kg vapor/h[132 000 lb vapor/h] con presiones de vapor de 30 bar (g) [435 psi (g)]presentando problemas de mantenimiento y partes de gran tamao. Con el tiempoy la innovacin tecnolgica, se desarroll calderas tpicas para la industriaazucarera de domos de vapor de gran dimetro y longitud, con el fin de absorberlos cambios de carga en el sistema generador de energa elctrica, al igual que elrgimen de demanda de vapor al proceso, marcando una diferencia con losequipos que operan para centrales termoelctricas.

Este avance se produjo debido a la venta de energa excedente al sistemaelctrico nacional, lo que gest un cambio en la eficiencia media de la caldera enbase al PCI del 71,6 a 86 %, aumentando drsticamente la generacin especficade vapor, para cualquier presin y temperatura de operacin de vapor.

En razn de lo expuesto, se comienza con el primer modelo, tal cual se muestraen la Figura 11 . En el esquema actual se presenta tres tipos de demanda depotencia:

Calor para el proceso de azcar y alcohol; Energa de accionamiento mecnico molino; Generacin de energa elctrica.


35/106

35

Figura 11 .Esquema simplificado cogeneracin planta actual

Puede notarse que se genera vapor a partir del mismo combustible (Bagazo), sinembargo existen 2 calderas con diferentes regmenes de funcionamiento.

La caldera C1, genera vapor exclusivamente para el turbogenerador TG5,el cual produce la mayor cantidad de potencia debido a su mejor eficiencia.Para despus entregar el vapor de escape a un cabezal comn.

La caldera C2, genera vapor para satisfacer la demanda de calor a ladestilera, energa de accionamiento al molino 5 (TM5) y el vapor

excedentario que se pasa a travs del TG4 de baja eficiencia para producirenerga elctrica.

El vapor conducido o entregado al cabezal principal de vapor de escape, satisfaceel consumo especfico de vapor de la planta de azcar (siendo esta la mayorconsumidora de calor) y el vapor al desaireador para completar el proceso deeliminacin de oxgeno en el agua de alimentacin a la caldera.

Procesos consumidores de calor destileraelaboracin de azcar

Bagazoaprontado

Generacinde vapor

Generacin de energa elctricay accionamiento molino


36/106

36

Bsicamente este esquema, trabaja bajo la premura de garantizar un vapor alproceso de azcar y alcohol, y una generacin elctrica que garantice la operacinde la planta. Todo ligado a la disponibilidad de combustible (Bagazo) y a laeficiencia de generacin de vapor para las dos calderas.

Los datos ms significativos del esquema actual de cogeneracin de la planta enestudio se muestran en la Tabla 2. El sistema opera a su mayor capacidad degeneracin de vapor y energa, salvaguardando las cantidades de combustiblespara garantizar liquidaciones y paros eventuales de molienda.

Tabla 2. Datos significativos sistema de cogeneracin actual

Parmetro Esquema actualRata de molienda (TCH) 230Fibra% caa (%) 13,5

Bagazo% caa (%) 24,9Humedad bagazo (%) 50Bagazo producido (t/h) 57,3Bagazo aprontado (t/h) 2,1Presin caldera [1] (bar ) (g) 20,7Temperatura caldera [1] (C) 400Flujo msico vapor (kg/s) 24,7Presin caldera [2] (bar) (g) 20,7Temperatura caldera [2] (C) 343Flujo msico de vapor caldera [2] (kg/s) 10,7

Demanda vapor elaboracin (kg/s) 31,7Demanda vapor destilera (kg/s) 3,6Generacin elctrica (MWh) 13Consumo elctrico (MWh) 11Excedente energa (MWh) 2Eficiencia energtica (%) 77,6

3.3 ESQUEMA PROYECTADO

Para modelar este esquema se tuvo en cuenta dos factores que juegan un papelclave, ya que representan las restricciones principales de los sistemas decogeneracin:

Disponibilidad tecnolgica; Disponibilidad del combustible y demanda de vapor al proceso.


37/106

37

3.3.1 Disponibilidad tecnolgica

Este esquema, tal cual lo ilustra la Figura 12 , es un ciclo Rankine cerrado, loscomponentes del sistema generador de vapor se especifican para presiones de

operacin entre 62-65,5 bar (g) [900 - 950 psi (g)] y temperaturas de 510 C [950F], se utiliza como combustible principal bagazo de caa y puede operar con unmezcla 50 % bagazo + 50% carbn.(Sin embargo este estudio no tiene el carbncomo combustible alterno, por ello no est dentro del alcance del mismo )

Figura 12.Esquema de cogeneracin proyectado a rata estndar

La presin y temperatura de salida del vapor al momento de seleccionar la calderaes altamente restringido por el consumo especfico de combustible y el costo del

equipo, al igual que el de las turbinas de vapor.

En la Figura 13, se observa como al aumentar la presin y temperatura deoperacin, la generacin especfica de vapor de la caldera empieza a decrecer,por ejemplo, al dejar constante la eficiencia trmica de la caldera en 70% desde elpunto 1 a 2, la caldera disminuye su GEV de 2,7 a 2,1 kg vapor / kg bagazo.

Procesosconsumidores de calordestilera

TG Contrapresin conextraccin a destilera

TGCondensacin

Generacinde vapor

Procesos consumidoresde calor elaboracin deazcar


38/106

38

Esto no quiere decir que la caldera sea ms o menos eficiente trmicamente, almodificar el estado del vapor generado. Por el contrario indica, que al incrementareste estado, la caldera genera menos vapor por unidad de combustible pero conms energa, la cual ser convertida en trabajo al ser pasado por los

turbogeneradores.Figura 13. Generacin especifica de vapor en funcin de la temperatura, presin yeficiencia de operacin.

Con la Tabla 3,se demuestra que la entalpa no vara mucho cuando se deja latemperatura constante en 510 C y se modifica la presin.


39/106

39

Tabla 3. Variacin de energa con el cambio de presin a temperatura constante

Presin( bar )

Temperatura(C)

Entalpa(kJ/kg)

62,1 510 3 44465,5 510 3 440

68,9 510 3 436

Se puede notar que al aumentar la presin de operacin, el delta de entalpa es de4 kJ/kg, lo cual, no es muy significativo para el flujo de masa y la presin de escapedel ciclo de cogeneracin, por ende no retornara la inversin extra de las partesde presin de caldera a 62 o 69 bar, el tratamiento de agua de la misma, entremuchos otros aspectos. Adems, para una turbina que maneja temperaturas deoperacin menores a 560 C se puede utilizar aleaciones de aceros ferrticos con

cromo entre el 10 - 13 %, evitando la corrosin de los alabes por alta temperatura,siendo estos menos costosos que los aceros austenticos, los cuales incluyenmolibdeno, cromo, berilio, hacindolos resistente temperaturas de hasta 600 Caumentando considerablemente el costo de la turbina.

La temperatura del vapor generado en la caldera se especfica primordialmentepor la restriccin del costo de la turbina y la cantidad y calidad de energadisponible en el vapor al incrementar la temperatura y dejar constante la presin.

Por las razones anteriormente expuestas, para este parte del proyecto, seseleccion para la simulacin y anlisis una caldera de parrilla viajera, con una

presin de operacin de 65,5 bar (g) [950 psi (g)] y 510 C [950 F] detemperatura.

Es importante mencionar, que un esquema de generacin de vapor y cogeneracinde energa debe cumplir los estndares propuestos por los entes ambientales yenergticos dando nuevas restricciones a los sistemas incluyendo la eficiencia detransformacin de energa y el impacto que esta genera al medio ambiente y lasociedad misma.

Siendo as las principales especificaciones que intervienen en la proyeccin delesquema, son los siguientes, segn laFigura 12:

Se remplazan todos los accionamientos mecnicos impulsados por vapor,con motores elctricos de alta eficiencia.

Se implementan turbogeneradores de contrapresin y condensacin cuyosSR ondean los 5,49 y 3,76 kg vapor/kWh [12,1 y 8,3 lb vapor/kWh]respectivamente.


40/106

40

Se remueve el termo-compresor para cumplir con la demanda de vaporhacia la destilera, por extracciones de la turbina de contrapresinaprovechando de una manera ms efectiva la transformacin de energatrmica a elctrica.

Se remplaza el equipo generador de vapor por una sola caldera que opera a156 000 kg vapor/hora a 65,5 bar (g) y 510 C.

3.3.2 Disponibilidad del combustible y demanda de vapor al proceso.

Para esta parte del anlisis se tendrn en cuenta los escenarios de operacin de laplanta:

3.3.2.1 Rata estndar

En este escenario es importante sealar los efectos de aumentar la presin ytemperatura de generacin de vapor en la caldera y la utilizacin turbogeneradoresde alta eficiencia, en Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinasa contrapresin (SGVTCP), cuando se maneja una rata de molienda que suministrapor si sola el bagazo para sostener la demanda energtica de las plantas deelaboracin de azcar y alcohol.

Siendo as, la materia prima (caa), tiene valores promedios de Fibra%caa quepueden variar en este caso de estudio entre 11-15%, los cuales estn directamenteligados al desarrollo del cultivo tales como su crecimiento, absorcin de radiacinsolar, cantidad de agua durante el cultivo, el proceso de cosecha, entre muchasotros factores, por lo cual su control es difcil de realizar, de este modo, elporcentaje de bagazo en la caa se mueven entre 19,3-26,2 Bagazo%caa.

Por ende la produccin de combustible es proporcional a la rata de molienda encualquier esquema proyectado (siempre y cuando se mantenga fija la Fibra%caa),sin embargo, la generacin de vapor disminuye al incrementar la presin (verFigura 13) y su masa no cambia al ser pasado por los turbogeneradores paraposteriormente suplir el proceso de elaboracin de azcar y alcohol.

LaFigura 14 muestra cmo aumenta la generacin de energa elctrica utilizandoturbinas a contrapresin (TCP) con SR de 5,5 kg vapor /kWh [12,1 lb vapor / kWh],a partir de la rata de molienda y la variacin de la fibra en caa, lo cual esdirectamente proporcional a la cantidad de bagazo o combustible disponible. Esimportante anotar que en este esquema cuando se tienen fibras del 15 %, sedispone de suficiente combustible para generar el vapor requerido al proceso y porconsiguiente, el bagazo excedentario no se utiliza para generar ms vapor ypotencia en el eje de los turbogeneradores.


41/106

41

De all, se nota una de las particularidades de este escenario ya que, paraaumentar la generacin de energa elctrica, se debe tener en cuenta la cantidadde combustible disponible que entrega la molienda para suplir el flujo msico devapor al proceso de elaboracin de azcar y alcohol.

Figura 14.Influencia de la Fibra%caa en la generacin de energa elctrica

En la Figura 15 , se muestra cmo el bagazo excedentario es inversamenteproporcional al aumento de presin y temperatura del sistema de cogeneracin, aun valor tal, que no se produce combustible suficiente a partir de la molienda parasatisfacer el consumo de vapor del proceso con una molienda de 230 TCH.

Para complementar, se puede notar en la Tabla 4, de datos significativos del

sistema de cogeneracin proyectado sin excedente de bagazo a rata estndar,que a pesar de tener el mismo rgimen de TCH, Bagazo%caa y consumo devapor al proceso, que el del esquema actual segn laTabla 2,el bagazo aprontadodisminuyo de 2,067 a 0,39 ton/h, no obstante la generacin de potencia aumentode 13 a 23,54 MWh


42/106

42

Figura 15. Influencia de la presin y temperatura de generacin de vapor en ladisponibilidad de combustible @ 230 TCH


43/106

43

Tabla 4.Datos significativos sistema de cogeneracin proyectado sin excedente debagazo a rata estndar

Parmetro Esquemaproyectado

TCH 230Fibra%caa (%) 13,5Bagazo%caa (%) 24,94Humedad bagazo (%) 50Bagazo producido (t/h) 57,3Bagazo aprontado (t/h) * 0,39Presin caldera [1] (bar (g)) 65,5Temperatura caldera [1] (C) 510

Flujo msico vapor caldera [1] (kg/s) 35,9Presin caldera [2] (bar (g)) 0Temperatura caldera [2] (C) 0Flujo msico vapor caldera [2] (kg/s) 0Demanda vapor elaboracin (kg/s) 31,7Demanda vapor destilera (kg/s) 3,6Generacin elctrica (MWh) 23,5Consumo elctrico (MWh) 12Excedente energa (MWh) 11,5Eficiencia energtica (%) 79

*Bagazo que se reserva para abastecer alproceso en liquidaciones y paros de fbrica

Es importante mencionar que el bagazo excedentario, la demanda de vapor alproceso y la generacin de energa elctrica estn supeditados entre si de unamanera intrnseca, lo cual se explica de la siguiente forma:

Los sistemas de cogeneracin actuales del sector azucarero colombiano, generanvapor de alta a 20,68 bar (g) dando una GEV de 2,1 a 2,3 kg vapor/kg bagazo en lacaldera y lo entregan como vapor de escape o baja despus de las turbinas a 1,37bar (g) de presin, por lo cual su SR ondean valores de 8,16 a 9,07 kg vapor/kWh[18 a 20 lb vapor/kWh], por consiguiente, cuando se tiene un consumo especificode vapor al proceso (CEV) de 558 kg vapor/TCH [1231 lb vapor/TCH] , las turbinaspresentan una capacidad de generacin entre 50-56 kWh/TCH y la planta unconsumo especfico elctrico (CEE) de entre 42-47 kWh/TCH, dando as excedentede energa electro mecnica, que se puede exportar a la red de interconexinnacional de 8 a 9 kWh/TCH, sin embargo, como el CEV puede disminuirdependiendo del tipo de producto que se est elaborando, la rata de molienda o las


44/106

44

configuraciones tecnolgicas para ahorro de vapor al proceso, esto hace que todoel vapor que se produce a partir del combustible (Bagazo) no sea requerido por elproceso y se deba expandir inicialmente en las turbinas para generar energaelctrica y posteriormente en vlvulas de alivio que rechazan este vapor al

ambiente, representando en algunas ocasiones del 10 a 15 % de todo el vaporgenerado. Para evitar lo antepuesto, (teniendo en cuenta, que en este ejemplo larata de molienda se mantiene constante y el CEV se reduce) se debe disminuir lageneracin de vapor en la caldera, lo que produce menos energa elctrica por faltade vapor y por ende aumenta el bagazo excedentario entre el 2-8 %, tal cual se veen laFigura 15.(Lo anterior en funcin de la fibra).

Basado en lo anterior, se puede decir, que en los ciclos de cogeneracin lavariacin de los regmenes de consumo de vapor para los diferentes procesos detransformacin de energa, es un factor clave en trminos de generacin deexcedentes de energa, sobre todo cuando se hacen mejoras en el proceso, comosustitucin de turbinas de generacin de energa por unas de mayor eficiencia,electrificacin de accionamientos mecnicos, se potencializa el excedente decombustible y garantiza la sostenibilidad energtica, a partir del bagazo generadopor la molienda, por lo tanto se resalta que la generacin de energa elctrica ensistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas a contrapresin(SGVTCP)es proporcional al CEV. Esto se puede ver en laFigura 16

Figura 16. Influencia del consumo de vapor a proceso en la generacin de energaelctrica en Sistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas acontrapresin (SGVTCP)


45/106

45

De all, se puede decir que:

1. Al disminuir el CEV la generacin elctrica disminuye y da un balancenegativo en la generacin de excedentes de energa entre 340-450 kg

vapor/TCH [750-992 lb vapor / TCH], cuando el CEE se mantiene en 47kWh/TCH, lo cual se puede ver en laTabla 5.

2 El aumentar la demanda de vapor al proceso puede ocasionar dficit debagazo tal cual se ve la figura 13, esto no justificara la generacin elctrica,ya que el combustible alterno para solventar el aumento de consumo devapor, debe ser comprado representando inmediatamente un costo adicionalen el sistema de cogeneracin.

Tabla 5. Evaluacin consumo de vapor para aumento de generacin elctrica ensistemas a 21,60 bar a @ 300 C

TCHCEE

[kWh/TCH]

Energaconsumida

[kWh]

CEV[lb v/tc]

Vaporconsumido[lb vapor/h]

SR[lb vapor/

kWh]

Energagenerada

[kWh]

Energaexcedente

[kWh]

230 47 10810 750 172500 22 7718 -3092

230 47 10810 882 202826 22 9075 -1735

230 47 10810 992 228160 22 10209 -601

230 47 10810 1102 253460 22 11340 530

Despus de describir las caractersticas del esquema actual y proyectado ensistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas a contrapresin (SGVTCP) para emplear el vapor en la transformacin de energa elctrica, seproyecta la utilizacin de sistemas de generacin de vapor para cogenerar conturbinas a Contrapresin y Contrapresin Condensacin (SGVTCON) para elesquema proyectado, ya que aprovechan el bagazo excedentario que concibe laracionalizacin del vapor dentro de los procesos de produccin de azcar y alcoholen produccin de energa.

3.3.2.2 Operacin fin de semana

En los escenarios de fin de semana, se usan turbinas a condensacin-extraccin(TCON) con un SR de 3,76 [kg vapor/kWh] [8,3 lb vapor/ kWh], que permitenentregar al proceso en su etapa de extraccin, el vapor al estado requerido por eltndem de evaporacin, y adems pasar el vapor excedente por la etapa decondensacin para generar mayor energa elctrica aumentando el ndice degeneracin elctrica kWh/TCH esto se puede notar en laFigura 17


46/106

46

Figura 17. Generacin de energa elctrica en sistemas de contrapresin condensacin (SGVTCON) influenciados por la demanda de vapor y estado delvapor de alta.

Un factor muy importante con la utilizacin de turbinas a condensacin en elsistema de cogeneracin, es que durante las liquidaciones de fbrica o paros

programados para mantenimiento, donde se tiene combustible aprontado y lademanda de vapor se reduce, surge la posibilidad (ya que los jugos en el procesode elaboracin de azcar son dejados de procesar) de generar energa elctricapor la turbina de condensacin por su etapa de vaco mejorando el SR, sinrechazar vapor al ambiente.

Usualmente estos escenarios se ven en el proceso de produccin de alcohol,especficamente en operaciones de planta de fines de semana, donde se puedeparar la molienda por mantenimiento y se deja operando la caldera, all con lageneracin mnima de la caldera (habitualmente a un MRC (Mxima rata deconsumo) del 40%), se suple a la destilera con vapor de 5,96 y 2,32 bar, por

tomas controladas en los turbogeneradores. Este esquema de se puede observaren laFigura 18

Los datos ms significativos se ven en laTabla 6,resaltando el SR promedio delsistema 4,65 kg vapor / kWh [10,29 lb vapor/kWh], cabe notar que en esteesquema no se produce bagazo, y se utiliza el combustible aprontado durante lazafra o molienda. En caso contrario que el bagazo aprontado no sea suficiente se


47/106

47

requiere utilizar combustibles alternos, como cascarilla de arroz, caf o en sudefecto carbn, siendo ellos un costo adicional que debe imputarse a la produccinde alcohol.

Figura 18. Escenario operacin de fin de semana o produccin autnoma dealcohol.

Tabla 6. Datos significativos sistema de cogeneracin proyectado fin de semanaproduccin autnoma de alcohol

Parmetro Esquema proyectado

TCH 0

Fibra%caa (%) 13,5

Bagazo%caa (%) 24,94Humedad bagazo (%) 50

Bagazo producido (t/h) 0

Bagazo aprontado (t/h) 0

Presin caldera [1] (bar (g)) 65,5


48/106

48

Tabla 6. Continuacin

Parmetro Esquema proyectado

Temperatura caldera [1] (C) 510

Flujo msico vapor caldera [1] (kg/s) 17,6Presin caldera [2] (bar (g)) 0

Temperatura caldera [2] (C) 0

Flujo msico vapor caldera [2] (kg/s) 0

Demanda vapor destilera (kg/s) 3,6

Generacin elctrica (MW) 13,6

Consumo elctrico (MW) 2,85

Excedente energa (MW) 10,7

Eficiencia energtica (%) 44,8SR(kg vapor / kWh) 4,65

3.3.2.3 Aprovechamiento hoja de caa

Para evitar la utilizacin de combustibles alternos y compensar el dficit del bagazoen sistemas de cogeneracin que an no tienen proyectos de integracinenergtica, es posible implementar la utilizacin de la hoja de caa, que se deja enel campo como un residuo agrcola y promueve la generacin de electricidadprincipalmente en los sistemas SGVTCON.

Conforme muestran los estudios de pre factibilidad de implementacin de sistemasde limpieza en seco de caa realizados por el sector azucarero, la cantidad debiomasa generada por el cultivo diferente al bagazo es de 60 ton hoja/ha. La Tabla7 muestra una caracterizacin de este material.

La principal dificultad de este proceso es la recoleccin y transporte de la hojadesde el campo hasta la fbrica, generalmente este proceso es dependiente delrea cosechada mecnicamente y la cantidad de hoja que se debe dejar en elcampo para efectos de proteccin y mejoramiento del cultivo.

Por el momento, los sistemas de separacin y limpieza de la caa no estntotalmente desarrollados en el sector nacional por ello, los mtodos para traer lahoja a las fbricas son proyectados de la siguiente manera, teniendo en cuentadejar entre el 6 y 10 % de la hoja disponible en el campo:


49/106

49

Tabla 7. Caracterizacin bagazo y hoja de caa.

Componentes(% masa, base

seca)

Hojassecas

Hojasverdes

Bagazo

Carbono 46,2 45,7 44,6Hidrogeno 6,2 6,2 5,8Nitrgeno 0,5 1 0,6oxigeno 43 42,8 44,5

Azufre 0,1 0,1 0,1Cloro 0,1 0,4 0,02Cenizas 3,9 3,7 2,2Humedad 13,5 67,7 50,2

Fuente: Pellegrini,Luiz Felipe (2009)

a) Recoleccin de caa entera por corte manual, se enfarda y se trasporta a lafabrica

b) Recoleccin por corte mecnico, se deja solo encendido un ventilador de lacosechadora mecnica y se trae en el vagn el 40% de hoja disponible y el60% restante se deja en el campo

c) Recoleccin por corte mecnico, se dejan operando los 2 ventiladores de la

cosechadora mecnica y se trae en el vagn el 70% de hoja disponible y el30% restante se deja en el campo.

Los puntos a) y b) presentan la mayor productividad tal cual se ve en la Tabla 8.,ahora los sistemas de separacin y limpieza poseen una eficiencia de remocin deentre 70-90% segn estudios realizados en Brasil durante las zafras del 2000 al2013, dando al final un 7,63 Biomasa%caa, disponible como combustible paragenerar energa en el sistema de cogeneracin.

Cabe anotar, que el uso de la hoja para quemar en las calderas actuales puedevariar su desempeo, entonces por lo general se mezcla con el bagazo, lo cual es

de gran provecho, ya que el sistema separador ayuda a disminuir la ceniza y lasimpurezas minerales en la caa, aumentando as el poder calorfico del bagazo.


50/106

50

Tabla 8. Recuperacin de hoja disponible en el cultivo de caa del sectorcolombiano para un ingenio de 5000 toneladas das promedio

Cosecha

mecnica 40%

Cosecha

mecnica70%

Cosecha

mecnica90%Caa disponible (t/ao) 1 550 000 1 550 000 1 550 000Porcentaje de caa para cortemecnico (%)

40 70 90

Caa para corte mecnico (ton/ao) 620 000 1 085 000 1 395 000Caa para corte mecnico (t/mes) 51 667 90 417 116 250Caa para corte mecnico (da) 1 914 3 349 4 306Promedio (t caa/ha) 118 118 118Hectreas para corte mecnico(ha/ao)

5 254 9 195 11 822

Cantidad de biomasa generada encampo ( t biomasa/ha)

60 60 60

Cantidad de biomasa por ao(t biomasa/ao)

315 254 551 695 709 322

Porcentaje de biomasa requeridaen campo (%)

50 50 17

Porcentaje de biomasa disponiblepara fbrica (%)

50 50 83

Biomasa disponible para fbrica porao (t biomasa/ao)

157 627 275 847 591 180

Biomasa disponible para fbrica pormes (t biomasa/mes)

13 136 22 987 49 265

Biomasa disponible para fbrica porda (t biomasa/da)

487 851 1 825

Biomasa disponible para fbrica porhora (t biomasa/h)

22,1 38,7 82,9

Eficiencia de limpieza (%) 75 75 75

Hoja disponible generacin vapor(ton hoja /h)

16,59 29,02 62,2

Porcentaje biomasa caa disponiblepara generacin de vapor (%)

7,63 13,35 28,61

Con base en lo anterior, se ve que la generacin especfica de energa elctrica,aprovechando el combustible disponible y el sistema de SGVTCON puede llegar avalores de hasta 160 kWh/TCH, es importante mencionar que la cosecha mecnica


51/106

51

est en valores promedio del 40% de toda el rea efectiva de plantacin, esto sepuede observar en laFigura 19

Figura 19. Influencia de la hoja de caa en la generacin especfica de energa

elctrica en sistemas SGVTCON

Por ltimo, en laFigura 20 se compara la generacin de energa en los sistemas degeneracin de vapor para cogenerar con turbinas a contrapresin(SGVTCP) contraSistemas de generacin de vapor para cogenerar con turbinas a Contrapresin yContrapresin Condensacin Extraccin-Condensacin (SGVTCON) a 65,5 bar(g), para diferentes CEV, es importante notar cmo al aumentar el consumo de

vapor los sistemas se comportan inversamente.


52/106

52

Figura 20. Variaciones de la generacin energa elctrica en funcin del sistemade cogeneracin

Despus de haber definido el diseo trmico de los esquemas de cogeneracin,calcular las principales variables de los esquemas actual y proyectado, y demostrarcomo la variacin del consumo de vapor, la Fibra%caa, la rata de molienda y eltipo de sistema adoptado (ya sea SGVTCP o SGVTCON) afecta la generacin de

vapor, energa elctrica y por ende la eficiencia energtica, se dar una breverevisin bibliogrfica al concepto de exerga como una herramienta eficaz,direccionada a generar anlisis de irreversibilidades en cada uno de los procesosque intervienen en el sistemas de cogeneracin de la industria azucareracolombiana.


53/106

53

4 ANLISIS EXERGTICO DE SISTEMAS TRMICOS

Dentro del contexto del uso racional de la energa y teniendo en cuenta que lamisma es conservativa en cualquier proceso sin destruirse. Este captulo presenta

un revisin bibliogrfica de la metodologa utilizada para realizar anlisis exergticoen los procesos de conversin de energa, por lo tanto tiene como objetivo describirlos esquemas de cogeneracin anteriormente propuestos desde el punto de vistade cmo la energa disponible (exerga) en el combustible, flujos de vapor, agua,entre otros, se degradar a medida que se intercambia en cada una de las etapasdel proceso de cogeneracin como las demandas de vapor al proceso deelaboracin de azcar, alcohol y energa electro mecnica.

Anticipando el resultado principal de este captulo, es importante entender laexerga como un potencial de energa disponible en los diferentes flujos de masa,la cual es basada en la segunda ley de la termodinmica y se brinda mediante el

anlisis de su degradacin una herramienta muy til para fines de diseo,evaluacin, optimizacin y desarrollo de los sistemas de cogeneracin,identificando as donde las prdidas o irreversibilidades de los procesos seconcentran.

Ms adelante se mostrar cmo no solo la exerga es destruida por lairreversibilidades, sino que est tambin puede ser transferida de un sistema a otro,como perdidas acompaando de intercambios de calor al ambiente o a susalrededores.

4.1 EXERGA

La exerga ha sido vista hasta ahora como el potencial de trabajo til mximo quepuede obtenerse de un sistema que est en un estado inicial dado y es llevado alestado muerto, el cual est equilibrado con el ambiente circundante. En este casoel sistema al final estara a la presin y temperatura ambiente (en equilibrio trmicoy mecnico), no se tendra energa cintica y potencial (cambio de velocidad yaltura igual a 0) y finalmente est qumicamente inerte, siendo as que suscomponentes qumicos ya se diluyeron en el ambiente circundante.

Para dar una mejor explicacin de cmo un sistema en su estado inicial, puedetransformar la mayor cantidad de energa en trabajo til al final del proceso cuando

llega al estado muerto o de equilibrio con su ambiente circundante, se describe acontinuacin:

Si la temperatura del sistema en el estado final es mayor o menor que latemperatura del ambiente en que se encuentra, siempre ser posible producirtrabajo adicional al operar una mquina trmica entre estos dos niveles detemperatura. Si la presin final es mayor o menor que la presin del ambiente, an

optimización exergética de una planta de cogeneración

Documents