s[,p 1- - cenidet adan huerta... · norma epa 40 cfr-60, norma astm d197-87 e is0 9931. los...

.-’ 1- J~. j, -: S[,p ~. ,,. . - ~ i . i.. . . .. ... , .. . .i . . . . .

. . . . . . .. . . .

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Cuernavaca, Mor. 8

DR. JESUS ARNOLD0 BAUTISTA CORRAL DIRECTOR DEL CENIDET. P R E S E N T E .

AT”: DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASlK JEFE DEL DEPTO. DE MECÁNICA.

P R E S E N T E .

Por este conducto, hacemos de su conocimiento que, después de haber sometido a revisión el trabajo de tesis titulado:

“Diseño y construcción de un sistema de muestre0 de carbón y ceniza”

Desarrollado por el Ing. Adán Huerta Alvízar, y habiendo cumplido con todas las correcciones que se le indicaron, estamos de acuerdo en que se le conceda la autorización de impresión de la tesis y la fecha de examen de grado.

Sin otro particular, quedamos de usted.

A t e n t a m e n t e COMlSlON REVISORA

G G d F A & > - *

DR. JOSE MARI RIGUEZ LELlS DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASlK /

BEDOLLA

cenidet

.

.. ..

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

ACADEMIA DE LA MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA

Cuernavaca, Mor.

Ing. Adán Huerta Alvízar. Candidato al Grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica P R E S E N T E .

Después de haber sometido a revisión su trabajo de tesis titulada:

l l ~ ~ ~ ~ Ñ ~ Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MUESTRE0 DE CARBON Y CENIZA"

Y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis hizo; se le comunica que se le concede la autorización para que se proceda a la impresión de la misma como requisito para la obtención del grado.

Sin otro particular, quedo de usted.

RAMIREZ. MECANICA.

INTERIOR INTERNADO P A L M I M SBI. NERNAVACA. MOR. MkXICV

E L F . VFAX O1 (73) I2 7611 EMNL rnii&[email protected]

APARTAW POSTAL s-IW CP 6mo. NERNAVACA. cenidet

. . . . . . .

RECONOCIMIENTOS A:

cenídet . Por la preparación académica otorgada.

Por sus participaciones para realizar estos estudios de maestría.

CONACYT Por su apoyo financiero durante todo el programa de maestría en el cenidet.

INSiiIICIO BE INVESTIGACIONES EL€cTfiICAs

Por su apoyo y asesoría para la realización de esta tesis.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al M. I. Jorge Alejandro Altamirano Bedolla, por su apoyo, asesoría y participación proporcionada.

Ai doctor César Romo por su apoyo y colaboración para facilitar la realización del sistema diseñado, en la Gerencia de Procesos Térmicos del, IIE.

A la doctora Adriana del Carmen Wong Moreno por su gran apoyo en asesona y dedicación al desarrollo de esta tesis.

A los catedráticos de la Academia de Ingeniería Mecánica del cenidet: Dr. Dariusz Szwedowicz, Dr. Gustavo Urquiza, Dr. José María Rodríguez, M.C. Jorge Colín y ai Lic. Luis Viades por haberme compartido sus conocimientos durante mi estancia en dicha institución.

A mis compañeros de generación: José Manuel Robles Solís, Victor Manuel Martínez Cruz, Benjamín Darío Ramírez Angulo, Vicente George Pescador, Francisco Maldonado, Rutilo Morales Álvarez y José Ramón Quiñonez Osuna por su amistad y apoyo en toda la maestna.

Ai Ing. Sergio Flores del taller mecánico del IIE por su colaboración en la manufactura de algunos componentes del sistema diseñado.

A los técnicos: Gilbert0 Jiménez, Jesús Padilla, Ricardo y Carlos Limón.

A mis amigos investigadores y becarios del IIE: Alejandro Maní, Miriam García, Tatiana Romero, Ángel Méndez, Adriana Penna, Maria García, Diana Jiménez, Alejandra Rady, Silvia Castelar, Rocío Martínez, Rafael García, Gabriela Magaña, Nely, Ofelia, Talía y Vicente Carrizosa por su amistad y apoyo durante mi estancia en el instituto.

Y principalmente a DIOS y a mis padres Salomón Huerta Nieva(t) e Isidora Alvízar Pérez que gracias a ellos he llegado a esta etapa de mi vida profesional.

ADAN HUERTA ALVIZAR

“Nada de lo que vale la pena en la vida se puede lograr sin trabajo, a veces arduo, tedioso y monótono, y la ingeniena no es una excepción’’

Joseph E. Shigley

, . . . . . . .

CONTENIDO

PÁGINA Resumen ......................................................................................................... iii Lista de figuras ........................................................................................................ iv Lista de tablas ........................................................................................................ v Nomenclatura ........................................................................................................ vi

CAPjTULO 7 : ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELÉCTRICAS 1.1 Objetivos .................................................................................................................... 1 1.2 Planteamiento del problema ........................................................................................ 1

1.2.1 Proceso de combustión del carbón .................................................................... 3 1.2.2 Elementos Traza ................................................................................................ 3

'1.2.3 Efectos de los elementos Traza sobre la salud ............................................. 6 1.3 implementación de programas de detección de sustancias ......................................... 7 1.4 Investigaciones en México acerca de ¡a emisión de contaminantes ............................ 9 1.5 Justificacion .................................................................................................................. 10 ..

CAPíTULO 2: MUESTRE0 DE CARBÓN 2.1 Muestreo de carbón .................................................................................................... 11

2.1.1 Muestreo de carbón en ductos ........................................................................... 11 2.1.2 Normas internacionales ..................................................................................... 12

2.1.2.1 Norma Internacional IS0 9931 ............................................................. 12 2.1.2.2 Método 1 de la norma EPA 40 del Código Federal de Regulaciones ... 13

2.1.2.2.1 Pnncipio ................................................................................. 13 2.1.2.2.2 Procedimiento ........................................................................ 13 2.1.2.2.3 Determinación del número de puntos de muestre0 ................ 14 2.1.2.2.4 Localización de puntos de muestreo ....................................... 16

2.1.2.2.4.1 Ductos circulares ................................................... 16

0.61m ................................................. 17

. . . . .

2.1.2.2.4.1.1 Ductos con diámetros mayores que

2.1.2.2.4.1.2 Ductos con diámetros iguales o menores que 0.61111 ......................... 18

2.1.2.2.4.2 Ductos rectangulares ............................................ 18

muestreo ................................................................................. 19 2.1.2.3 Noma ASTM D197-87 ........................................................................ 19

2.1.3 Métodos utilizados ............................ ................................................................ 21

2.1.2.2.5 Procedimiento alternativo para seleccionar puntos de

CAPíTULO 3: DISEÑO DEL SISTEMA

3.1 Metodología general .................................................................................................... 22

i

PAGINA

3.1.2 Definición del problema .................................................................................... 24 3.1.2.1 Bases del diseño ................... i ................................................................ 26 3.1.2.2 Equipo de muestre0 ............................................................................... 27

............................... 27 3.1.2.3 Colector ; ................................................................. 3.1.2.4 Tomademuestras ................................................................................. 28

3.1.3 Síntesis de disefio ........................... : .................................................................. 29 3.1.3.1 Primer diseno tentativo .............. ; ......................................................... 31 3.1.3.2 Segundo diseno tentativo ...................................................................... 32

3,1.5 Analisis y optimizacion ...................................................................................... 33

3.1.1 Reconocimiento de la necesidad'^. ..... l. .. ............................................................ 24

. - . *

. - 3.1.3.3 Tercer diseno tentativo .......................................................................... 33 3.1.4 Diseño y construcción del prototipo y pruebas ................................................. 33

3.1.6 Diseño y consirucción del sistema final ............................................................ 35 3.1.6.1 Mecanismos .......................................................................................... 35 3.1.6.2 Materiales de fabricación ...................................................................... 37 3.1.6.3 Selección del motorreductor ................................................................. 37 3.1.6.4 Geometría y dimensiones ................................... : ................................. 37 3.1.6.5 Simulación de flujos en Fluent ............................................................. 40 3.1.6.6 Componentes del sistema ...................................................................... 46 3.1.6.7 Construccion ......................................................................................... 47

3.2 Realización de pruebas de validación ................... ; .... ; ...... ~ ........................................... 49 3.2.1 Metodología para la evaluación del equipo ....................................................... 50

3.2.1.1 Procedimiento para medir el flujo de polvo dentro del ducto vertical .... 52 3.2.2 Análisis del funcionamiento .............................................................................. 54 3.2.3 Realizacion de ajustes ........................ ............................................................... 55 3.2.4 Pruebas finales ......................... : ........................................................................ 56

3.2.4.1 Cálculos comparativos entre situaciones teóricas y experimentales ......... 58 3.2.5 Recomendaciones de utilización del equipo ...................................................... 60

3.2.5.1 Condiciones de muestre0 ......................................................................... 60 3.2.5.2 Estabilidad de condiciones de operación ................................................. 60 . 3.2.5.3 Velocidad de extraccion ........................................................................... 60 3.2.5.4 Condiciones y preparación del equipo ..................................................... 60 3.2.5.5 Insercion de la sonda ................................................................................. 60

. . . . . .

. .

. . .

.. . .

3.2.5.6 Tomado de la muestra .............................................................................. 61 3.2.5.7 Retiro de la sonda ...................................................................................... 61 3.2.5.8 Reporte demuestre0 ................................ ................................................ 61

CAPíTULO 4: C O N C h l O N E S Y RECOMENDACIONES . Alcances .......................................................................................................................... 63 . Limitaciones .................................................................................................................... 63

- Apéndice A . Plantas carboelectncas .............................................................................. 69

. . . - Sugerencias para trabajos futuros .................................................................................... 64 - Referencias bibliográficas ................................................................................................ 65

- Apéndice B . Cálculo de engranes .................................................................................... 80 - Apéndice C . Dibujos tecnicos ........................................................................................ 83

. . . .

. . . .

U

RESUMEN

Después del resurgimiento del carbón como principal combustible para la generación de

energía eléctrica en muchos países del primer mundo, la problemática ambiental causada

por la emisión de productos de la combustión de carbón mineral ha sido objeto de estudio

los últimos años. Una de las vertientes de estos estudios está relacionada con los parámetros

operacionales de las plantas y con el diseño de los sistemas de combustión, mientras que

otra está enfocada hacia la caracterización de las productos de combustión emitidos a la

atmósfera y, con base en esos resultados, en la implementación de medidas para el control

de las emisiones provenientes de centrales carboeléctricas.

Como parte de los estudios para controlar las emisiones de centrales carboeléctricas en

México, el presente trabajo de investigación tuvo como objetivo desarrollar el diseño de

un sistema de muestreo que permitiera obtener muestras de carbón pulverizado cuando está

circulando hacia el quemador.

Éste se diseñó para que cumpla con los estándares internacionales del método 1 de la

norma EPA 40 CFR-60, norma ASTM D197-87 e IS0 9931. Los resultados obtenidos, a

partir de la experimentación realizada en un banco de pruebas construido a escala 1:1, dan

constancia de que el sistema desarrollado logró obtener un muestre0 multipunto de 64

zonas en un tiempo de 4 minutos en forma automatizada. Las partes que tienen contacto

con la muestra fueron construidas con acero inoxidable AIS1 316, lo cual asegura la

obtención de muestras libres de contaminantes, permitiendo conocer en qué condiciones

está el combustible instantes antes de que inicie la combustión. Con este sistema se logró obtener muestras representativas, en tiempos de muestreo razonables y libres de

contaminantes.

... 111

.LISTA . . . . DE . FIGURAS . . . . .

FIGURA

I . I Proceso de combustión del carbón. 2. I Número mínimo de puntos transversales. 2.2 Ejemplo mostrando sección circular del ducto dividida en 12 áreas equivalentes, coli

2.3 Ejemplo mostrando sección de ducto rectangular dividido en 12 áreas equivalentes,

2.4 Diagrama de la norma ASTM D197-87 para tomar muestras de carbón en ductos. 3.1 Fases del diseño. 3.2 Arreglo del ducto para tomar muestras de carbón. 3.3 Colector de carbón pulverizado con una sola boquilla. 3.4 Colector inultipunto. 3.5 Distribución de los puntos de muestreo en la sección transversal del ducto. 3.6 Perfil de flujo ena tubería. 3.7 Ejemplo de segregación en uti ducto vertical. 3.8 Primer diseño tentativo del mecanismo. 3.9 Segundo diseño tentativo del mecanismo. 3.10 Tercer diseño tentativo del mecanismo.. 3. I I Esquema general del prototipo construido. 3. I 2 Diagrama ilustrativo de los movimientos dentro del ducto, vista frontal. 3.13 Movimientos del colector dentro del ducto, vista desde arriba. 3. I 4 Diseño final.-Elementos de la cabeza de la sonda. 3.1 5 Geometría del colector con boquillas. 3.16 Contornos de velocidad eii el interior de la sonda. 3. I 7 Contornos de velocidad en el interior de la sonda con velocidad de entrada eii cada

boquilla de 0.81 mls, flujo sólido-gas. 3. I 8 Contornos de velocidad eii el interior de la sonda con velocidad de entrada en cada

boquilla de 0.03 m/s, flujo sólido-gas. 3. I 9 Contornos de velocidad en el interior de la sonda con velocidad de entrada en cada

boquilla de 2.5 m/s, flujo sólido-gas. 3.20 Contornos de velocidad eii el interior de la sonda con velocidad de entrada en cada

boquilla de 15 ink, flujo sólido-gas. 3.21 Posicióii de la línea para medir velocidades. 3.22 Comportamiento de velocidades eii zona crítica (línea de la figura 3.21) a velocidad

localización indicada de puntos de muestreo. ' .

coi? un punto de muestreo en el ceiitroide de cada área.

de entrada en cada boquilla de 0.03, 0.60, 0.81, 2.50, 5.00 y' 15.00 m/s, respectivamente.

3.23 Sonda construida, vista frontal. 3.24 Sonda construida, vista posterior. 3.25 Dispositivo diseñado para evaluar el sistema de muestreo. 3.26 Veiitilador de tiro forzado y ducto vertical con diámetro de 1100 rnm. 3.27 Vista completa del ducto de pruebas. 3.28 Puerto de inuestreo. 3.29 Sonda instalada para observar los movimientos dentro del ducto. 3.30 Otra vista de la sonda ya instalada para observar los movimientos dentro del ducto. 3.31 Haciendo pruebas finales del sistema. A.l Diagrama de una central carboeléctrica. A.2 Localización de puntos de muestreo.

PÁGINA

4 15 17

18

20 23 25 2ú 21 28 29 30 31 32 33 34 35 36 36 37 40 41

42

43

44

45 46

48 48 49 50 51 54 55 56 51 70 1 6

iv

LISTA DE TABLAS

TABLA

l a Concentraciones típicas de elementos Traza en carbón de los E.E.U.U.

1 b Concentraciones típicas de elementos Traza en la ceniza de fondo y ceniza volante de los E.E.U.U.

Elementos Traza emitidos por centrales carboeléctricas y los posibles

efectos a la salud humana y animal.

3 Sección transversal para ductos rectangulares.

4 Localización de puntos de muestre0 en ductos circulares.

5 Velocidades en el interior de la sonda

6 Resultados de la evaluación del equipo

Al Clasificación de carbones minerales por categorías.

2

PÁGINA

5

5

7

15

16

39

59

72

"

NOMENCLATURA

La notación que se da a continuación, es la usada en las ecuaciones del cálculo de engranes. (se indican los significados ingleses y españoles)

a) = (addendum), cabeza del filete del tomillo; A) = (addendum), cabeza del diente del engrane B) = (deddendum), pie del diente del engrane; b) = (deddendum), pie del filete del tornillo; C) = (center distance), distancia entre centros; e) = (clearence), huelgo; D) = (pitch diameter), diámetro primitivo del engrane; d) = (pitch diameter), diámetro primitivo del tornillo; do) = (outside diameter), diámetro total del tornillo; Do) = (outside diameter), diámetro total del engrane; D,) = (throat diameter), diámetro de garganta del engrane; E = eficiencia del engrane con tornillo, por cien; F = ancho nominal de la llanta del engrane; F, = ancho efectivo; G = longitud roscada del tornillo; L = (lead of worm thread), paso de un filete = paso x el número de filetes; La = (lead angle of worm), ángulo de paso del filete medido desde un plano perpendicular

M = (torque), par aplicado al engranaje en (pound-inches), metros kilogramos; ni = (module), módulo = 0.3 183x paso axial; N = revoluciones por minuto del tornillo; 11 = revoluciones por minuto del engrane; P = (axial pitch of worm and circular pitch of wheel), paso lineal del tornillo y paso

P, = paso normal del tornillo; T = número de dientes del engrane; t = (number of threads or <starts> on worm), número de filetes del tornillo, 2 por filete

doble, 3 por triple, etc. U = radio de garganta del engrane; W = (whole tooth depth), altura total del diente (en tornillo y en engrane).

al eje del tornillo;

circunferencia1 del engrane;

Vi

CAPíTULO 1

Elementos de estudio en centrales

carboelectricas

1.1 Objetivos

- Diseñar y construir un equipo para realizar muestreos de carbón y ceniza en plantas

carboeléctricas que cumpla con los estándares internacionales correspondientes.

El equipo deberá tener la característica de ser portátil y de que los materiales de

construcción no contaminen las muestras a colectar.

-

1.2 Planteamiento del problema

El siglo XX ha sido la era de la electricidad, ya que es una forma de energía fácil de

transportar y transformar en otros tipos de energía.

CAF'iTULO I ELEMENTOS DE ESTLiDIO EN CENTRALES CARBOELÉCTRICAS

En términos generales, en los primeros años del siglo XX el carbón fue la principal fuente

de energía. Posteriormente, a causa de los avances tecnológicos, el gas y el combustóleo

pasaron a los primeros lugares. Pero desde 1970 el carbón ha cobrado importancia

nuevamente a causa de problemas políticos y económicos generados en el mercado del

petróleo.

En México se tiene una capacidad de producción de energía eléctrica a partir del proceso de

combustión del carbón de 2600 MW y se está terminando la instalación de 2100 MW adicionales, con esto la producción eléctrica nacional a partir de carbón pasará del 10% al

15%. En los próximos años se continuará utilizando en gran medida el carbón como fuente

de energia, tanto en México como en todo el mundo['] a causa de que este combustible

constituye el mayor porcentaje de reservas

El proceso de combustión de carbón origina diversos contaminantes, muchos de ellos con

efectos nocivos a la salud humana y al medio ambiente. Concretamente, el empleo de

carbón como combustible para la generación de energía eléctrica da como consecuencia el

problema de la emisión de contaminantes a la atmósfera entre los que se encuentran

emisiones mayoritarias como óxidos de nitrógeno @Ox), óxido de azufre (SOX), partículas

suspendidas totales (PST) y emisiones minoritarias, por ejemplo: metales, a los que se les

llama Elementos Traza[31.

Las emisiones de elementos traza contaminantes pueden tener efectos nocivos a nivel local

o global a causa de que se mantienen suspendidos en el aire por mucho tiempo y a que el

aire los transporta a cientos de kilómetros de la fuente emisora. Existen ya propuestas y

reglamentos acerca de la emisión de algunos elementos traza contaminantes en los países

industrializados; por ello no sena raro que estos países ejercieran presión sobre la

comunidad internacional con el fin de generalizar la normatividad sobre los mismos.

2

CAPiTULO I ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELECTRICAS

chimenea. (Ver figura 1.1 .)

1.2.1 PROCESO DE COMBUSTIÓN DEL CARBÓN

Estos elementos y compuestos aún no están sujetos a normas, pero pueden tener efectos en

la salud humana, así como en el equilibrio ecológico; por ello en algunos países como

Australia y Estados Unidos de Norteamérica, se han elaborado recomendaciones sobre

límites probables.

1.2.2 ELEMENTOS TRAZA

A los elementos y compuestos que se encuentran presentes en las emisiones en baja

concentración, se les llama elementos trazaL3]. De acuerdo con Valkovic[’’, un elemento

traza es aquel cuya emisión es del orden de 1000 ppm (0.1% en peso) o menor.

De acuerdo con Dale[”, los elementos traza a considerar son: plomo (pb), mercurio (Hg),

cadmio (Cd), arsénico (As), también considerados por Per$’, posteriormente, antimonio

(Sb), selenio (Se), cromo (Cr), Níquel (Ni), cobre (Cu), manganeso (Mn), cobalto

3

........

P

. .

. . . . . . . . . . . ~.

CAPÍTULO I ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELECTRICAS

(Co), vanadio (V), zinc (Zn), boro (B), niolibdeno (Mo), bario (Ba) y estroncio (Sr), de

acuerdo con Lesley & Sloss[81 y Davidson & Clarke'".

<1

1-10

10-50

Los elementos traza contenidos en carbón y en las cenizas son muy variables. En las tablas

l a y l b se presentan intervalos para concentraciones típicas de elementos traza en carbón,

ceniza de fondo y ceniza volante, respectivamente''01.

Hg As, Cr, Cu, Ni, V, Pb

Be, Cd, Co, Ma, Se

Tabla 1

Concentración @pm) Ceniza de fondo

<1 Cd, Hg, Se

1-10 As, Mo, Pb

11-100 Co, Cu, Ni, Zn

101-500 Cr, Mn, V

Con

Ceniza volante

Hg Cd, Se

As, Co, Mo, Ni, Pb

Cr, Mn, Cu, V, Zn

mtracic típic: je element( e :arbóii de los E.E

I I >50 Mn, Zn I

Tabla 1 b Concentraciones típicas de elementos traza en la ceniza de fondo y ceniza volante de los

E.E.U.U. ['O].

5

CAP~TULO 1 ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELÉCTRICAS

Hay otras emisiones importantes como: halogenos ‘inorgánicos, cloro (Ci), fluor (F), bromo

(Br), yodo (I), compuestos orgánicos volatlles VOC (Volatile Organic Compounds),

hidrocarburos aromáticos policíclicos PAH (P.olycyclic Aromatic Hydrocarbons), dioxinas

y compuestos radioactivos, como isótopos. [‘I ..

. i

La Agencia Internacional de Energía (IEA: International Energy Agency) ha elaborado

reportes sobre elementos trazac4’; Smith en 1987 y recientemente Sloss y Gardner en

1995[”] examinaron los elementos traza desde un punto de vista ambiental.

En estudios realizados en E.E.U.U., de acuerdo a la Enmienda del Acta del Aire Limpio

CAAA (Clean Air Act Amendments), en 1990 se identificaron 11 elementos traza y sus compuestos, comúnmente encontrados en carbón como potencialmente “peligrosos

contaminantes del aire” HAP’S (Hazardous Air Pollutant’s). Estos fueron: berilio (Be),

cromo (Cr), manganeso (Mn), cobalto (Co), níquel (Ni), arsénico (As), selenio (Se), cadmio

(Cd), antimonio (Sb), mercurio, (Hg) y plomo (Pb)I9], sin embargo, se han reportado

también como de interés ambiental otros elementos como boro (B) y molibdeno (Mo)I9].

1.2.3 EFECTOS DE LOS ELEMENTOS TRAZA SOBRE LA SALUD

Es muy importante controlar la emisión de elementos traza porque potencialmente se pueden presentar repercusiones en los seres humanos, causando daños irreversibles. En la

tabla 2 se concentran los efectos en la salud humana y animal causados por elementos traza

considerados potencialmente peligrosos.

En general los efectos ambientales y de salud pública de los elementos traza, son los

aspectos principales que deben considerarse, por lo que se debe tener una conciencia

ambiental de dichas emisiones.

G

CAPiTULO I ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELÉCTRICAS

E 1 em en t o Efecto a la salud

1.3 Implementación de programas de detección de sustancias

En Estados Unidos de Norteamérica la mayoría de las centrales termoeléctricas que operan

con combustibles fósiles están a la mitad de los planes de implementación para cumplir con

la Enmienda del Acta del Aire Limpio CAAA (Clean Air Act Amendment), donde las secciones comunes se refieren a las condiciones de lluvia ácida, que decretan las

reducciones de las emisiones de Óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno para los próximos

alios. Por otro lado la EPA (Environment Protection Agency) en la sección 111, menciona

que los industriales de E.E.U.U., con la excepción de centrales termoeléctricas que emitan más de 10 toneladas por año ó 25 toneladas por año de alguna combinación de 189

contaminantes peligrosos del aire, tienen que aplicar la máxima tecnología de control

disponible MACT (Maximum Achievable Control Technology). Y si hay desechos

residuales peligrosos se requieren controles adicionales.

El EPRI (Electric Power Research Institute) está trabajando en E.E.U.U. en conjunto con

varias agencias para dirigir los estudios de las emisiones de grandes industrias y la

estimación de riesgos a la salud de químicos potencialmente peligrosos de combustibles

fósiles en centrales termoeléctricas.

La investigación iniciada POT la división ambiental del EPRI incluye la elaboración de

sistemas integrados de plantas termoeléctricas para el estudio de emisiones químicas

PISCES (Power Plant Integrated Systems: Chemical Emissions Studies), los cuales son

disefiados para evaluar las sustancias de interés dentro de las centrales termoeléctricas

desde la fuente de alimentación, a través del proceso de combustión, hasta las emisiones en

la chimenea.

Después de más de 3 años de medición y análisis en sitios donde están instaladas centrales

termoeléctricas, las investigaciones han reportado resultados preliminares para la industria

eléctrica y para la EPA.

La EPA propone la forma de controlar las emisiones, de acuerdo a los sistemas post-

combustión de control de emisiones convencionales como son precipitadores

electrostáticos, sistemas filtrantes y lavadores.

Todo esto se ha logrado en centrales termoeléctricas y la legislación de emisiones de

elementos traza en plantas carboeléctricas no es particularinente común. Sin einbargo el aumento de conciencia de riesgos ambientales y el subsecuente incremento en la

preocupación sobre emisiones de todos los contaminantes llevan a norinas más estrictas de

emisión. El objetivo principal del muestre0 y análisis de emisiones de plantas

carboeléctricas es cumplir la legislación existente y futura en emisiones que contaminen al inedio ambiente.

8

CAP~TULO 1 ELEMENI'OS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOELÉCTRICAS

1.4 Investigaciones en México acerca de la emisión de contaminantes

En México, en concordancia con la comunidad mundial, se tienen que evaluar las

concentraciones de elementos contaminantes con el propósito de asegurar que el desarrollo

industrial no es agresivo al medio ambiente.

Actualmente la Unidad de Procesos Térmicos del Instituto de Investigaciones Eléctricas

(IIE) ha estado desarrollando, con apoyo de la Secretaría de Energía, estudios y la

tecnología necesaria para realizar análisis confiables con objeto de cuantificar las emisiones

contaminantes producidas en la utilización de carbón para la generación de energía

eléctrica [12,13,14 y 1.51

Tanto en la combustión de combustóleo[161 como en la de carbón se están estudiando los

elementos En los estudios realizados por el IIE a plantas carboeléctricas, al igual

que en los países industrializados, se han tomado muestras de carbón sólido, de ceniza de

fondo, de ceniza volante, así como de partículas suspendidas totales (PST) en el flujo de

gases que se emite a la atmósfera por la chimenea. La mayoría de estas muestras requieren

de algún equipo especial para colectarlas, por ejemplo para PST se utiliza un equipo

Andersen Universal Stack Sampler. En general las muestras de carbón se pueden tomar

siguiendo todo un procedimiento ya normalizado. Pero dado que es necesario contar con un

sistema que permita obtener muestras representativas de carbón, se diseñó el sistema de

muestreo presentado en esta tesis.

Se ha encontrado en la literatura correspondiente que la Environment Protection Agency

(EPA) y la American Society for Testing and Materials (ASTM) han establecido normas con los métodos de colección de muestras de carbón en ductos, tomando en cuenta las

condiciones del la selección de los puntos de muestreo ya sean ductos circulares o e inclusive, las características que tienen que tener 10s equipos para lograr

tomar muestras confiables'2'1. Se investigó acerca de la existencia de esos equipos en otros

países, identificando su existencia, pero con características propias de sus plantas.

9

CAPiTULO I ELEMENTOS DE ESTUDIO EN CENTRALES CARBOEIJ~CTRICAS

. . Con base principalmente en estas

sistema automatizado de muestreo

México no existe un equipo que

se diseña, construye y evalúa un

y ceniza en ductos, ya que en

Las características del sistema desarrollado e

cpndiciones de la planta, es por eso que se es consideración las recomendaciones de las n

procediendo al diseño de un equipo adecuad

trabajo de tesis dependen también de las

ollando tecnología propia, teniendo en

muestreo internacionales existentes,

Es importante mencionar que en el IIE se t

donde se hacen estudios acerca de la co

líquidos. Para analizar el proceso de comb

una considerable inversión y lo más difíci

que el sistema desarrollado se evalúa en también, simulando las condiciones reale

y después de varias pruebas de funcion

Comisión Federal de Electricidad (CFE).

bustión a escala piloto

y otros combustibles

a escala se necesitaría

y cenizas. Es por eso

este trabajo de tesis

e el equipo diseñado

en las plantas de la

1.5 Justificación

Para evaluar los elementos traza en las emisiones de centrales carboeléctricas de México, es

necesario desarrollar la tecnología necesaria que permita obtener muestras representativas,

analizar, cuantificar y clasificar el nivel de estas emisiones. El diseño del sistema’ para

tomar muestras de carbón y ceniza que se presenta en este trabajo es parte de la tecnología a desarrollar.

Por lo anterior, es claro que se necesita un equipo que permita obtener muestras

representativas de carbón y ceniza. Este equipo tiene que cumplir los requisitos de las

normas internacionales, con objeto de que las muestras obtenidas sean adecuadas para el

análisis posterior de elementos traza.

IO

. .. . . .. . . . . . . , . I

CAPíTULO 2

Muestreo de carbón

2.1 Muestreo de carbón

Un muestre0 puede realizarse con base al tiempo o masa. En el muestreo con base ai

tiempo, el intervalo de muestreo es definido en minutos y el intervalo de masa deberá ser

proporcional a la velocidad de flujo en el tiempo de toma del incremento.

En el muestreo con base en la masa, el intervalo de muestre0 es definido en toneladas y los

incrementos de masa, deberán ser uniformes'261.

2.1.1 MUESTREO DE CARBÓN EN DUCTOS

Obtener una muestra realmente representativa es muy dificil, porque los elementos traza se

encuentran en pequeñísimas cantidades tanto en el carbón como en los productos de

combustión.

La precisión del muestreo con respecto a la masa y distribución del tanaño de partículas

depende de la segregación de partículas y dinámica del flujo en los duc t~s '~ '~ . Para ayudar

en la medición representativa de emisiones contaminantes y flujo voluinétrico total en

ductos de una fuente estacionaria, se elige un punto de medición donde la corriente del

CAPiTULO 2 MUESTRE0 DE CARBÓN

fluido está fluyendo en dirección conocida y la secciGn transversal del ducto se divide en un

número de áreas iguales. Posteriormente, se localiza un punto transversal dentro de cada

una de esas áreas equivalentesrz71.

2.1.2 NORMAS INTERNACIONALES

Existen algunas normas internacionales donde se menciona cómo debe hacerse un muestreo

de carbón pulverizado en ductos. Tres de estas normas son: IS0 9931-199(E), método 1 de

la EPA 40 CFR-60 y ASTM D197-87.

2.1.2.1 NORMA INTERNACIONAL IS0 9931

Carbón- “Muestreo de carbón pulverizado transportado por gases en ductos al

sistema de quemado de carbón”.

Esta norma internacional se desarrolló para usarse en la determinación de distribución de

carbón pulverizado entre quemadores separados en una planta de generación de electricidad

que utiliza carbón.

La toma de muestras de acuerdo a esta norma internacional proporciona información acerca

de las características de funcionamiento de un sistema de quemado de carbón pulverizado,

por ejemplo: - cuando se requiere de sistemas de distribución de combustible y sistemas de

quemado con un criterio igual a la distribución de combustibles para los

quemadores. Cuando se monitorea y ajusta el funcionamiento de divisores y deflectores en

sistemas de distribución de combustible. Cuando se monitorea el comportamiento del pulverizador para especificar

tamaííos de partículas.

-

-

Esta norma y la ASTM D197-87 mencionan cada una dos sistemas similares de muestreo

de carbón pulverizado en un sistema de quemado directo. 1 I

12

. ~ . . . . -~ .. . . . . .


2.1.2.2 MÉTODO 1 DE LA NORMA EPA 40 CÓDIGO FEDERAL DE

REGULACIONES-60 “Muestre0 y velocidad transversal de fuentes estacionarias ”

Esta norma menciona cómo puede hacerse la selección de los puntos donde se tomarán las

muestras de carbón, inclusive menciona que los requerimientos de éste método tienen que

considerarse antes del diseño y construcción de un equipo nuevo de medición y que errores

al hacerlo pueden causar desviaciones al procedimiento de la norma.

Este método es aplicable a corrientes de gas en ductos y chimeneas. El método no puede

usarse en:

1 ) Flujos ciclónicos o remolinados,

2) un ducto con diámetro menor que 0.30 m.(12 pig), ó 0.071 m2 (1 13 plg2) de área

de la sección transversal o

3) el punto de medición esté a menos de 2 ductos o diámetros del ducto aguas

abajo o menos de un diámetro aguas arriba de un perturbador de flujo.

2.1.2.2.1 Principio

Para lograr una medición representativa de emisiones contaminantes y flujo volumétrico

proporcional de una fuente estacionaria, se selecciona un punto de medición donde la

corriente del fluido fluye en una dirección conocida y la sección transversal del ducto es

dividida en un número de áreas iguales. Un punto de muestreo es localizado dentro de cada

una de esas áreas iguales.

2.1.2.2.2 Procedimiento

Selección del lugar o punto de muestreo

Para tomar muestras o medir velocidad se tiene que localizar un lugar en los últimos 8

diámetros del ducto aguas abajo y 2 diámetros aguas arriba de cualquier perturbador de

flujo tales como codos, bifurcaciones; una expansión o contracción del ducto. Si es

necesario puede seleccionarse una localización alternativa a una posición de por lo menos dos ductos o diámetros de ducto aguas abajo y a una mitad del diámetro aguas arriba de

cualquier perturbador de flujo. Para una sección transversal rectangular, debe calcularse un

13

CAPITULO 2 MUESTRE0 DE CARBON

diámetro equivalente ( D e ) de la siguiente ecuación[281 para determinar las distancias aguas

arriba y aguas abajo:

2LW De = ( L + W )

Donde L = longitud y W = ancho

Hay un procedimiento alternativo para determinar la aceptabilidad de una localización de

medición sin usar el criterio anterior. Este procedimiento consiste en determinar los ángulos

del flujo de gas en los puntos de muestreo y comparar los resultados con criterios de

aceptabilidad.

2.1.2.2.3 Determinación del número de puntos de muestreo

Cuando el criterio de 8 y 2 diámetros puede usarse, el número mínimo de puntos

transversales serán:

1) doce, para ductos con diámetros circular o rectangular (o diámetros equivalentes) más grandes que 0.61 m (24 plg),

2) ocho, para ductos circulares con diámetros entre 0.30 y 0.61 m (12-24 plg)

3) nueve, para ductos rectangulares con diámetros equivalentes entre 0.30 y 0.61 m

Cuando el criterio de 8 y 2 diámetros no puede usarse, el número mínimo de puntos

transversales se determina de la figura 2.3. Antes de referirse a la figura, se determinan las

distancias del lugar de medición escogido y los perturbadores de flujo más cercanos aguas

arriba y abajo y se divide cada distancia por el diámetro del ducto o diámetro equivalente;

para determinar la distancia en términos del número de diámetros de ducto. Luego, se

determina de la figura 2.3 el número mínimo de puntos que cruzan esas correspondencias:

1) para el número de diámetros de ducto aguas arriba;

2) para el número de diámetros aguas abajo. Seleccionar el más alto de los dos números mínimos de puntos, o un valor más

grande, así que para ductos circulares el número es un múltiplo de 4 y para ductos rectangulares, el número es uno de los que se muestran en la Tabla 3.

14

CAPfTULO 2 MUESTRE0 DE CARBÓN

DIÁMETROS DE DUCTO AGUAS ARRIBA DEL PERTURBADOR DE FLUJO (DISTANCIA A)

1 0 1 5 2 0 05 50

10

O 2

I I 1 I I I I * EL NUMERO MÁS ALTO ES

PARADUCTOS RECTANGULARES

24 6 25

k] 16 , DIA

P E m U i B LWR

LYGPRDE MfDlCldN

Ti0 DE DUCTO 20.61 12

* DESDE EL PUNTO DE CUALQUIER n p o 869

DE PERTURBADOR lCODO.CONTRACC16N.ETC )

DIAMETRO DE DUCTO = O 30 A O 61 rn

3 4 5 6 7 a 9 10

DIÁMETROS DE DUCTO AGUAS ABAJO DEL PERTURBADOR DE FLUJO *(DISTANCIA B)

Figura 2.1 Número mínimo de puntos transversales.

Tabla 3. Sección transversal para ductos rectangulares.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

CAPiTULO 2 MUESTREO DE CARBÓN

.. . . . , i . , / .

2.1.2.2.4 Localización de los puntos de niuestreo ..

2.1.2.2.4.1 Ductos circulares

Se tiene que localizar el número de puntos en 2 diámetros perpendiculares de acuerdo a la

Tabla 4 y al ejemplo mostrado en la figura 2.2 .

Tabla 4. Localización de puntos de muestreo en ductos circulares. (porcentaje del diámetro para determinar los puntos de muestreo en un ducto circular)

16


DISTANCIA PUNTOS %del diámetro

1 4.4 2 14.7 3 29.5 4 70.5 5 85.3 6 95.6

Figura 2.2 Ejemplo mostrando sección circular del ducto dividida en 12 áreas iguales, con localización indicada de puntos de muestreo.

Para partículas que atraviesan, uno de los diámetros debe estar en un plano que contenga la

más grande variación de concentración esperada, por ejemplo: después de codos, un

diámetro debe estar en el plano del codo. Este requerimiento convierte menos crítica a la

distancia donde la perturbación se incrementa; por lo tanto, se puede usar otra localización

de diámetro, sujeto a la aprobación del encargado del muestreo.

Además, para ductos que tienen diámetros más grandes que 0.61m no se localizarán puntos

dentro de los 2.5 cm próximos a las paredes del ducto; y para diámetros de ducto igual o menores que 0.61 m, puntos transversales no serán localizados dentro de los 1.3 cm

próximos a las paredes del ducto.

2.1.2.2.4.1.1 Ductos con diámetros mayores que 0.61 m

Cuando cualquiera de esos puntos como los localiza la sección 2.2.2.2.4 caen dentro de 2.5

cm (1 .O0 pig) de las paredes del ducto, se tienen que relocalizar de manera que las paredes

del ducto: 1) estén a una distancia de 2.5 cm; o 2) una distancia igual al diámetro interno de

la boquilla o más grande. Esos puntos relocalizados serán los puntos "ajustados".

17

.... . . .

MUESTREO DE CARBÓN CAPiTULO 2

Cualquiera de los dos puntos sucesivos son combinados para formar un punto individual ajustado, se tiene que tratar el ajustar el punto como dos puntos separados, ambos en el

procedimiento de muestreo y anotando el dato.

2.1.2.2.4.1.2 Ductos con diámetros iguales o menores que 0.61 m

Seguir el procedimiento de la sección 2.2.2.2.4 notando que cualquier punto "ajustado" será

relocalizado lejos de las paredes del ducto a 1) una distancia de 1.3 cm; o 2) una distancia

igual al diámetro de la boquilla colocada en el interior.

2.1.2.2.4.2. Ductos rectangulares Se determina el número de puntos transversales como se explicó en la sección 2.2.2.2.4. De

la Tabla 3 se determina la configuración de la malla. Se divide la sección transversal del

ducto en muchas áreas elementales rectangulares iguales como puntos de muestreo y luego

se localiza un punto al centro de cada,área de acuerdo con el ejemplo de la figura 2.3.

O 4 I -+-+-i- o l O l O l

Figura 2.3 Ejemplo mostrando sección del ducto dividido en 12 áreas equivalentes, en las cuales

hay un punto de muestreo en el centroide de cada área

Si el examinador desea usar más del número mínimo de puntos, se expande la matriz de

número mínimo de puntos (ver Tabla 3) agregando los puntos extra a lo largo de uno o el

otro o ambas partes de la matriz; la matriz final no necesita ser balanceada. Por ejemplo, si

una matriz de 4x3 fuera expandida a 36 puntos, la matriz final podría ser de 9x4 ó 12x3 y

no necesariamente tendría que tener 6x6. Después de la construcción final de la matriz, se

18

MUESTRE0 DE CARBÓN CAPITULO 2

divide la sección transversal del ducto en muchas áreas elementales rectangulares iguales, y

se localiza un punto de muestreo en el centroide de cada área equivalente.

2.1.2.2.5 Procedimiento alternativo para seleccionar puntos de muestreo

Esta alternativa se aplica a fuentes donde las localizaciones de las mediciones están a

menos de 2 ductos equivalentes o diámetros de ductos aguas abajo o menos de 112 diámetro

de ducto aguas arriba del perturbador de flujo y está limitada a ductos más grandes de 24

plg., en diámetros donde el bloqueo y el efecto de las paredes sean mínimos. Se usa una

sonda sensora de la dirección de flujo para medir inclinaciones y desvíos del flujo de gas a

40 o más puntos; se calcula el ángulo resultante y se compara con criterio aceptable por

medio de desviación estándar.

NOTA: Se miden los ángulos de inclinación y desvío desde una línea que pasa a través de

los puntos paralelos al eje axial de los ductos. El ángulo de inclinación es el ángulo de la

componente de flujo del gas en el plano que incluye la línea transversal y es paralela al eje

del ducto. El ángulo de desvío es el ángulo de la componente de flujo del gas en el plano

perpendicular a la línea que cruza al punto de muestreo y es medido de la línea que pasa a

través del punto de muestreo y paralelo al eje del ducto.

2.1.2.3 NORMA ASTM D197-87 (Reaprobada en 1994) “Método de pruebas normalizado para muestreo y prueba de fineza de carbón

puli>erizado ’I.

Este método de prueba abarca la determinación de la fineza por análisis con tamiz de

muestras de carbón desde una operación de pulverizado seco. No es aplicable a productos

húmedos molidos o para fineza que tiene agrupaciones en una masa aglomerada. Esta norma no pretende dirigirse a todo lo que concierne a seguridad.

La parte importante de esta norma, en este caso, es cuando menciona como debe hacerse un muestreo de carbón en un sistema de quemado directo de carbón. La norma dice “es

preferible colectar tales muestras en tubos verticales, porque en tubos horizontales puede

presentarse una gran cantidad de segregación”[281. Enseguida se presenta un diagrama del

procedimiento recomendado:

19

CAPíTULO 2 MUESTREO DE CARBÓN

MUESTREO DE UN SISTEMA DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE DEL PULVERIZADOR A LOS QUEMADORES Punto 6 dc la noma E I l ASTM n. IQ~.#*]

Conocer el flujo inásico del combustible proporcionado por el pulverizador.

1 Identificar el número de lineas de transporte de combustible, carbón-aire, del pulverizador a quemadores.

Colectar muestras en ductos en posición vertical. Evitar cambios de sección transversal o válvulas. Es deseable una distancia de 7 Ó 10 veces el diámetro del ducto después de una perturbación, con objeio de obtener muestra homogéneas.

I I

1 Aplicando un método dc muestreo de áreas iguales, atravesar por lo menos dos diámetros compleiamcnie a 90".

c Emplear un equipo de muestreo de acuerdo ala norma ASTM D: 197-81 (1994). , Emplear una conexión libre de polvos y un ciclón colector auxiliado por un aspirador. En la conexión libre de polvos mantener un balance de presiones, entre la presión de la corriente de la muestra y la presión de la corriente de aire de sello. El equipo tiene que estar limpio antes de tomar muestras. La sonda de muestreo del ciclón se introducirá al ducto de transporte del combustible y en caso necesario sc empleará cI aspirador. La velocidad de muestreo debe ser uniforme; una velocidad menor permite una colección de particulas grandes y menor colección de partículas finas, una velocidad mayor permite una colección de particolas finas y menor colección de particulas grandes.

+ El flujo másico de combustible en el área de la sección transversal de la línea de transporte será el flujo másico del nulverizador dividido entre el número de lineas de transvorte y'vosteriormente dividido entre el área de la sección

I . . 1 iransversal de la línea de transporte que se está evaluando. .

~~

El flujo másico colectado a través de la sonda de muestreo es aproximadamente igual a la relación del flujo másico dc combustible en el área de la sección transversal de la linea de transporle multiplicado por el área de paso dc la sonda de muestreo.

1 Una recuperación teórica del 100 % se conoce al multiplicar el flujo másico de combustible a través de la sonda de muestreo por el tiempo de colección de la muestra. El porcentaje de recuperación real, es la relación de la recuperación teórica (100%) entre la recuperación real multiplicada por 100.

I

Si la recuperación está entre 90% y 1 IO%, la muestra es satisfactoria. En caso contrario, ajustar el control de salida del colector, mediante la válvuladc descarga del ciclón colector:

En una recuperación inferior a1 90%. encender el aspirador y ajustar el control de salida del ciclón. Si la recuperación es superior a1 1 IO%, apagar el aspirador y ajustar el control de salida del ciclóri.

1 Durante la colección mantener las muestras arriba del punto dc rocio.

I

1 Las muestras en cada punto deben ser tomadas por períodos de tiempo iguales y no por cantidades iguales colectadas. I Figura 2.4 Diagrama de la norma ASTM D197-87 para tomar muestras de carbón en ductos. . '

. . ' 20

CAP~TULO 2 MUESTRE0 DE CARBÓN

, ,. . . . ,. , .. . A causa de la dificultad para colectar~uiia'-niuestra'representativa de sólidos de la corriente

de aire-carbón, es esencial que el equipo y procedimiento de muestreo sean uniformemente

consistentes para asegurar validez y reproducción de resultados.

. . .. .

2.1.3 MÉTODOS UTILIZADOS

Los métodos que se siguieron para colectar las muestras fueron los recomendados por las

tres normas mencionadas.

En particular, para seleccionar los puntos de muestreo se consideró el método.1 de la norma

EPA 40 CFR-60, mientras que para realizar la toma de muestras dentro del ducto de carbón

pulverizado transportado por aire se utilizaron los métodos recomendados por la norma IS0

9931-199(E) y ASTM D:197-87.

21

CAPITULO 3

Diseño del sistema

En este capítulo se presenta la metodología utilizada para diseñar el sistema de muestre0

y las consideraciones realizadas en cuanto a las características que debería tener para

satisfacer las normas aplicables, se presentan tres diseños preliminares y las

características de un prototipo final construido. Se describen las pruebas de

funcionamiento llevadas a cabo y se presentan los resultados.

3.1 Metodología general

La metodología empleada se resume en el diagrama de la figura 3.1

DISEÑO DEL SISTEMA CAPfTULO 3

I I

Síntesis de diseño + I Diseño y construcción del

1

Diseño y construcción

del sistema final

+ Presentación [

Figura 3.1. Fases del diseño.

23

CAPfTULO 3 DISENO DEL SISTEMA

3.1.1 RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD

A veces la necesidad no es del todo evidente, en general, se identifica de repente a partir

de una circunstancia o de una sene de circunstancias imprevistas que surgen casi al

mismo tiempo.

Una necesidad se identifica fácilmente después de que alguien la ha planteado, debe

notarse que no es lo mismo el planteamiento de la necesidad y la definición del problema

que sigue a tal expresión (figura 3.1.). El problema es más específico, por ejemplo: si la

necesidad es tener aire más limpio, el problema podría ser reducir la descarga de

partículas sólidas por las chimeneas de los automóviles, o también, disponer de medios

para apagar rápidamente los incendios forestales.

En este caso, como se menciona en el capítulo 1 la necesidad es reducir la emisión de

elementos contaminantes por la chimenea a la atmósfera producidos por la combustión de

carbón en plantas de energía.

3.1.2 DEFINICI~N DEL PROBLEMA

Para controlar la emisión de contaminantes, en particular de elementos traza, es necesario

saber que elementos están presentes en el combustible precisamente antes de que se

queme. Es por eso que se pensó en obtener una muestra de combustible momentos antes

de iniciar la combustión.

El problema ahora es como obtener una muestra de carbón pulverizado transportado

mediante aire que circula dentro del ducto.

El carbón pulvenzado es transportado mediante aire por un ducto de sección circular

desde el pulverizador al quemador (Figura 1.1). El diámetro del ducto es ‘de 1100 mm.

Desde que se instaló la planta, se colocó un puerto de monitoreo en el ducto, ese puerto es

un orificio circular de 2” (50.8 mm) de diámetro, junto con un tubo de 2” (50.8 mm) de

diámetro C-40, así como una válvula de bola de 2” (50.8 mm), la posición del ducto es

vertical como se indica en la figura 3.2.

24

DISENO DEL SISTEMA CAP~TULO 3

La forma de obtener una muestra de cbbón que circula por el ducto hacia el homo es

introducir una sonda por el puerto disponible y colectar una muestra representativa del

carbón que circula.

Tubo Y dia. C-40

Válvula de bola 2" I

\ Puerto de muestreo

L 1100mm

Figura 3.2. Arreglo del ducto para tomar muestras de carbón 1

En el IIE se tiene ya una sonda para tomar muestras de carbón. El arreglo del equipo es

como se muestra en la figura 3.3.

Este equipo se utiliza de acuerdo al metodo 1 de la norma EPA 40 CFR-60 Apéndice

Esa sonda tiene una boquilla, la cual se cambia de posición dentro del ducto de

acuerdo al método 1 de la EPA.

El objetivo es optimizar el proceso de muestreo y reducir el tiempo del mismo, ya que

con el equipo existente se realiza el barrido de acuerdo al método 1, pero se necesita

mucho tiempo y trabajo. El estándar internacional IS0 9931 menciona un sistema de

muestreo multipunto. Este estándar fue desarrollado para usarse en la determinación de

25

CAP~TULO 3 DISENO DEL SISTEMA

distribución de carbón pulverizado en quemadores para una estación de energía a base de

carbón. “Tomar muestras de acuerdo con este estándar puede dar información acerca de

las caractensticas de funcionamiento de un sistema de quemado de carbón

pulverizado”[271. Este método se puede aplicar para estudiar el comportamiento de los

quemadores, sistemas de distribución de combustible, así como el comportamiento del

pulverizador; para todo esto se obtiene una muestra de combustible. De ahí que este

método pueda usarse para este caso en particular.

CYclon colcctar

R r r rplm de uuieubn

I

Figura 3.3. Colector de carbón pulverizado con una sola boquilla.

3.1.2.1 Bases del diseño

En general el principio que menciona este estándar es: un colector de puntos múltiples

que extrae en 4 minutos una muestra representativa de 64 puntos de muestreo

eventualmente distribuidos sobre una sección transversal de un ducto de sección circular.

Se deben elegir las posiciones adecuadas de muestreo. El colector se introduce a través de

un puerto dentro del tubo de combustible pulverizado; antes y después del período de

muestreo, el equipo debe guardarse limpio y seco. La velocidad del gas de muestreo se

26

CAPITULO 3 DISEÑO DEL SISTEMA

tiene que mantener constante durante el.penodo de muestreo. El combustible pulverizado

colectado se separa en un ciclón de alta eficiencia.

. . . . . .

3.1.2.2. Equipo de muestreo

' El equipo de muestreo consiste de un colector y equipo auxiliar, el cual asegurará tomas

apropiadas, separación y colección de las muestras.

3.1.2.3.Colector

El equipo que menciona este estándar esta equipado con 4 boquillas de muestreo a través

de las cuales el material de la muestra puede extraerse simultáneamente.

Por medio de un mecanismo de engranaje angular con una relación de 2:l las boquillas

pueden rotarse en círculos concéntricos alrededor de la cabeza del colector. Un cuadrante

con ocho marcas igualmente distribuidas (45") indican la posición angular de las

boquillas de muestreo a cada 22.5". Cuando el cuadrante es rotado dos veces, da una

vuelta completa el colector con las boquillas dando así 16 posiciones angulares (ver

figura 3.4). Dimenrioner en mm

,-- AGja de &ación

Dctdk de vnaboqdh de m s t r e ü

Rehdnde e n g a r 2:l

Figura 3.4. Colector rn~ltipunto'~~'.

21


Las posiciones radiales de las cuatro boquillas de muestreo asegurarán el muestreo de

áreas iguales de sección transversal del tubo (ver figura 3.5.). Si se usan tiempos iguales

de muestreo con el colector a las posiciones indicadas de 16", puede resultar una muestra

representativa que se extrae del total de 64 áreas iguales en tamaño del plano de muestreo

del tubo.

Long i tud d e l c o l e c t o r L Figura 3.5 Distribución de los puntos de muestreo en la sección transvers'al del duct0

3.1.2.4. Toma de muestras

Para empezar el muestreo, simultáneamente se inician un cronómetro y el intemptor de

succión. Se conserva el flujo del gas de extracción constante durante el período de

rnuestreo.

Se activa el sistema de muestro por 15 segundos en la primera posición, se gira el volante

a la siguiente marca indicadora y se continúa colectando por 15 segundos. Se repite el

giro y se colecta hasta que se recorren las 16 posiciones angulares.

28


NOTA: si se prefiere, el muestreo puede hacerse también haciendo rotar la cabeza del

colector en forma lenta continua, por ejemplo una vuelta completa en 240 segundos.

Con base en esa literatura se procedió a hacer análisis de movimientos y posibles

geomehías a utilizar en el sistema a construir.

3.1.3 SÍNTESIS DE DISEÑO

Para tomar muestras de carbón en ductos se busca lo más que se pueda que el flujo sea

laminar completamente desarrollado, ya que de esta manera hay una mejor distribución

de tamaño de partículas.

La precisión del muestreo con respecto al tamaño de partículas depende del grado de

segregación y turbulencia en los ductos. Esos fenómenos ocurren inmediatamente aguas

abajo de algún cambio de dirección, por ejemplo: codos y pulverizadores.

Distribución de flujo En la realidad lograr un perfil laminar es muy dificil. Durante la transportación de carbón pulverizado mediante gases en tuberías, se presenta lo que se conoce como segregación.

A causa de fuerzas centrifugas en las partículas en codos y disturbantes, también a causa

de largas secciones horizontales, este fenómeno provoca que la concentración de

partículas se aglomere en forma no uniforme en toda el área transversal del ducto.

En ductos verticales, la segregación se disuelve gradualmente, es decir, las partículas se

distribuyen uniformemente con el flujo de gas. La figura 3.7 muestra la segregación que

29

CAPiTULO 3 DISENO DEL SISTEMA

ocurre en un ducto causado por un codo y la subsecuente dispersión en la sección vertical

del ducto. El mayor problema para obtener un muestra representativa es precisamente la

segregación.

I ’. l i t 5 d

. . . ..

. . & i . ,. . 1, .’ .’ . . ’’ ,

L - W d

d = diámetro memo del ducto,

I 1-L.7d

L=distancia del muestre0 aguas arriba del disturbante de flujo. Se muestran los contornos de flujo másico en un ducto vertical de 150 mm de diámetro con partículas de carbón pulverizado de 3 5 ~ - densidad de 1380 kg/m’, velocidad de 14 m/s y relación aire-sólido de 1.7.

Los flujos másicos son relativos para cada valor de punto central.‘*”

Figura 3.7 Ejemplo de segregación en un ducto vertical.

30


Sin embargo, para obtener muestras de carbón se han hecho experimentos en plantas

piloto con codos de 90" en tuberías y se han analizado diferentes posiciones para

muestreo.[*" Los experimentos muestran que la masa de la muestra tomada es más

pequeña que de la muestra tomada en una posición ideal, también que el carbón

pulverizado es más fino que la muestra tomada en una posición ideal'''].

3.1.3.1 Primer diseño tentativo

Para hacer el diseño del sistema, se hicieron tres diseños tentativos preliminares

considerando únicamente la cinemática. La parte que se notó más complicada fue en donde está la unión del colector móvil con la sonda, ya que además de soporte, debería

girar una flecha y dentro de esa flecha circular el polvo colectado. Un límite importante

fue el espacio disponible, ya que todo el conjunto de sonda-colector tenía que pasar

libremente por un tubo de 2" (50.8 mm).

A causa de esto se trabajó primero en esa parte del sistema, se hicieron varios diseños

tentativos de la geometría y ensamble de los elementos de esa parte.

Un primer diseño fue como se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8 Primer diseño tentativo del mecanismo

31


Para cambiar los ejes de giro se utilizarían engranes cónicos. El problema que se observó

en este diseño fue que los engranes estarían siempre bañados en polvo, eso podna

provocar problemas de atascamiento en el momento de trabajar, otro problema era

maquinar tubos de tamaños pequeños, sería mejor usar tubos ya construidos, por ejemplo

de cédula 40 ya estandarizados.

3.1.3.2 Segundo diseño tentativo

En este diseño se pensó en colocar los engranes cónicos en la parte exterior del ducto de

polvo, para evitar que se bañaran de polvo, pero se tenían problemas todavía con el sello

en la parte giratoria, además nuevamente con el tamaño de los engranes y el maquinado

de los tubos por su longitud tan grande.

Figura 3.9 Segundo diseño tentativo del mecanismo.

32


3.1.3.3 Tercer diseño tentativo

En este diseño se cambiaron los elementos de transmisión, de soporte y sello del eje del

colector.

Soporte-sonda 7

’ Colector rn6vil 1

Figura 3.10 Tercer diseño tentativo del mecanismo.

En este diseño se redujo el espacio ocupado por los elementos, pero existían problemas

todavía para unir las piezas, ya que tanto la flecha del eje como el soporte-sonda serían de

sección circular y se necesitaba unirlos en forma perpendicular.

3.1.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS

Con base en el tercer diseño tentativo, se procedió a construir un mecanismo para

verificar su funcionalidad, sin considerar el tamaño real que debería tener el aparato. Este

mecanismo se construyó con materiales ya existentes en el IIE. La figura 3.1 1 muestra un

esquema del prototipo.

3.1.5 ANÁLISIS Y OPTIMIZACI~N Del prototipo construido se pudo observar que para la parte que une al eje del colector

con la sonda se podían utilizar rodamientos comerciales, ya que realizaban la función de

33


permitir girar el eje del colector, sellaban para no dejar escapar el polvo y soportaban

bien al colector de la sonda.

En ese prototipo se utilizaron dos catarinas y una cadena para transmitir el movimiento,

esos elementos se usaron por estar ya disponibles, pero finalmente no se utilizanan a

causa de que no tenían la relación de velocidad buscada, además de su tamaño.

El siguiente paso fue reducir de tamaño ese concepto, para que pudiera introducirse todo

el conjunto por el puerto, como se mencionó anteriormente.

Figura 3.11 Esquema general del prototipo construido.

34

DISENO DEL SISTEMA CAPfTULO 3

3.1.6 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA FINAL I

Ciclón Y

, D u m de carbón

Figura 3.12 Diagrama ilustrativo de los movimientos dentro del ducto.

En la figura 3.12 se aprecia una vista de perfil de cómo se realizan los movimientos dentro

del ducto vertical de 1100 mm de diámetro y su correspondiente puerto de muestreo, tal y

como se tomaría la muestra en la planta carboeléctrica donde se pretende usar el equipo.

3.1.6.1 Mecanismos

De acuerdo ai estándar IS0 9931 hay una parte que gira en la cabeza de la sonda,

pero por el tamaño del puerto no pueden pasar grandes elementos de transmisión

dentro de él. Una vista desde amba sería como se muestra en la figura 3.13.

35

DISENO DEL SISTEMA CAPiTULO 3

Colector móvil

7- Puerto 7 Válvula de 1"

I

Figura 3.13 Movimientos del colector dentro del ducto

Se decidió utilizar engranes del tipo corona y tomillo sin fin, por ser más fáciles de

maquinar en el taller del IIE. Para este caso se consideraron tubos comerciales, de acuerdo

al tamafío del puerto de acceso. En las figura 3.14 y 3.15 se muestra la disposición de los

elementos en la cabeza de la sonda y el conjunto colector-boquillas.

' - b e del colectoi I Colector, tubo de acero inox.

5/16 t u b i n g i

Figura 3.14 Diseño final. -Elementos en la cabeza de la sonda.

36

DISENO DEL SISTEMA CAPITULO 3

TUBO TIPO TUBING 3/16"

/ BOOUILLA BOOUILLA 1

Figura 3.15 geometría del colector con boquillas.

3.1.6.2 Materiales de fabricación

Un requerimiento importante es que las muestras de carbón no se contaminen con los

matenales que están en contacto con ellas. Anteriormente se trabajó con un equipo de una

sola boquilla se usaron tubos de acero al carbón para conducir el polvo, así como un ciclón

también de acero al carbón. Las muestras analizadas posteriormente resultaron con una

gran cantidad de Fe, como resultado de la abrasividad de las cenizas. Actualmente este

equipo esta construido de acero inoxidable AIS1 316 en todas las partes que tienen contacto

con las muestras, estas son: boquillas colectoras, colector, eje, sonda, válvula de bola de 1"

y ciclón. Para elegir los demás materiales se consultó a manuales y catálogos de taller. Así

como cálculos para determinar velocidades, esfuerzos y potencia necesaria del motor.

3.1.6.3 Selección del motorreductor

En este aspecto se eligió el motor con base en las revoluciones necesarias en la varilla

colectora, despreciando las fuerzas de oposición al movimiento del motor propulsor. Se

instaló un motorreductor comercial que entrega 2.75 r.p.m. en la salida del reductor; de ahí

se partió para calcular los engranes del conjunto sin fin-corona, para lograr que la varilla

colectora gire a 0.25 rpm. La potencia de dicho motorreductor es de 0.01 hp.

Cabe mencionar que en este mecanismo no hay gran fuerza a vencer por el motor ya que el

movimiento de la varilla colectora es libre, la única fuerza a vencer es la ficción entre los

elementos de transmisión.

3.1.6.4 Geometna y dimensiones

Se calculó (ver apéndice B) y se maquinó un conjunto de tomillo sin fin y corona para

transmitir los movimientos en ejes perpendiculares, igualmente se estudiaron .las formas y

37


dimensiones de piezas para soportar ejes, y que permitieran el flujo de gas-sólido en el

interior de la sonda hasta conectar con el separador de fases. Como ayuda para determinar

los tamaños y geometrías de los elementos se utilizó como herramienta el AutoCAD R-14,

finalmente AutoCAD 2000.

Se hizo un análisis de flujo en el interior de la sonda, se encontró que hay partes donde

ocurren cambios de diámetro y dirección de flujo, en esas partes se forman vórtices y

acumulación de polvo, así como pérdidas de energía, La acumulación de polvo está en

función de:

1. La velocidad de flujo,

2. las propiedades químicas y fisicas del polvo, como la humedad por ejemplo,

3. la frecuencia de limpieza de los ductos.

El flujo másico en el ducto vertical según reportes en el IIE[”] es de 170 t n h de carbón y

643 tn/h de aire, densidad del carbón es de 1380 kg/m3, del aire de 1.03 kg/m3; todo ocurre

a una temperatura de 70 “C, el área del ducto es 0.9503 m2. De los flujos se obtiene la

relación de flujo aire-sólido de 3.78.

De estos datos se calculó la velocidad en el ducto vertical:

m = p Q ; m = p Av

mc = 47.22% m, =178.61% ; m m = 225.83$

Poire-cnrbdn = %Paire + %Purbdn

%poire =1.03%(0.79)= 0.81377 k . ,%pcorbón =1380~(0 .21)= m 289.8% m

Poire-corbdn =0 .8137~+289 .8$=290 .6137~ m

m m

.. m 225.83%

= 0.817: = (-xo.9503m’) v = -

PA ’

Una condición para tomar la muestra es que la velocidad en la entrada de las boquillas sea

la misma con la que fluyen en el ducto, logrando así un flujo isocinético.

38


Entrada de boquillas

Tubos tubing

Eje del colector

Soporte-sonda

Se hicieron cálculos para predecir las velocidades que se presentarían en partes internas de

la sonda, para saber el comportamiento de los flujos en diferentes puntos.

Partiendo del flujo másico del ducto, y las áreas de la sonda y del ducto vertical, se calculó

el flujo másico correspondiente a la sonda.

De esa manera: msonrin = 0.0186%

$= 5- 4 A=78.54mm2 v=0.814 ds

$= 6.12 mm A=29.41 mm2 v=1.08 m/2

$= 9.23 mm A= 67.20 mmz v=0.9524 d s

@= 12.52mm A=123.11 nun" v=0.52m/s

Para saber mejor lo que ocurre, se hizo una simulación en computadora con el programa

Fluent 5.4 para conocer los perfiles de velocidad en el interior de la sonda, considerando

inicialmente una velocidad de 0.817 m i s que es la que se maneja en las plantas donde se

están analizando los c~ntaminantes"~'; se utilizó la geometría indicada en la figura 3.14.

además de las boquillas y tubos tipo tubing.

39

DISENO DEL SISTEMA CAPfTULO 3

3.1.6.5 Simulación de flujos en Fluent.

- 3.30%00

!.97%00

? 64%00

2 31 %O0

1.32BCOO

4.9Oe-01

5.60~-O1

1.30e-01

).000+00

Contours of Veiocity Magnitude (m/s) Sep 05,2001 FLUENT 5.4 (M. segregated. spes, lam)

Figura 3.16 Contornos de velocidad en el interior de la sonda.

En la figura 3.16 se puede observar la manera en que se desarrolla el flujo en el intenor de

la sonda, se aprecia una vista de la sonda completa, notando que hay mayor velocidad en el

eje del colector. La velocidad de entrada utilizada, en la boquilla, es la de operación normal

en una planta carboeléctnca real.

40

DISENO DEL SISTEMA C A P í n n O 3

Posteriormente se hizo la simulación a diferentes velocidades de entrada en las boquillas,

para conocer el comportamiento de velocidades internas. Se manejaron velocidades de

entrada de 0.03,0.60, 0.81,2.50, 5.00 y 15.00 m/s respectivamente.

Figura 3.1 8 Contamos de velocidad en el interior de la sonda con velocidad de enhada en cada boquilla de 0.03 m/s, flujo sólido-gas.

42

DISENO DEL SISTEMA CAPITULO 3

Figura 3.20 Contornos de velocidad en el interior de la sonda con velocidad de entrada en cada boquilla de 15 m/s, flujo sólido-gas.

En todos los casos se presentan perfiles similares en el eje del colector, se observa también

la formación de un vórtice en la parte recta donde ocurre una expansión y cambio de

dirección. Esa es una parte que posible de mejorarse construyendo piezas que no se unan en

vértices de 90".

44

. . .


De las gráficas anteriores se observó que existen partes críticas en el interior de la sonda,

donde ocurren cambios de velocidad y'vórtices, principalmente en la parte de unión de

elementos como colector con el eje, y del eje con el soporte-sonda. Para conocer el

comportamiento de velocidades en una parte crítica (figura 3.21).

cQ"b3Jrs Of Stalk PIBiSUla (Fasial) SepQS 2U3i FLUENT 5.4 1%. regiegated, rpe6 lam)

Figura 3.21 Posición de la línea para medir velocidades

Con la línea indicada en la Figura 3.21 se hizo una evaluación de velocidades a diferentes

velocidades de entrada en las boquillas.

45

.


45 50 i 40 -I

30

15 .O0 v Velocity

Magnitude (m’4 - 5.00

15

5

O l 0 I , , ,,, , , , , , ; S I , ,;:,

0.03

0.33 0.332 0.334 0336 0.338 0.34 0.342 0.344

X-coordinate (m)

Velocity Magnitude vs. X-Coordinate Sep 04,2001 FLUENT54 (Xi. segregated, spe5, lam)

Figura 3.22 Comportamiento de velocidades en zona crítica (línea de la figura 3.21) a velocidades de entrada en cada boquilla de 0.03, 0.60, 0.81,2.50, 5.00 y 15.00 mls, respectivamente.

Con base en este estudio se puede conocer lo que ocurre en el interior de la sonda a

diferentes condiciones de operación, notando que a velocidades mayores de entrada en las

boquillas, se presenta mayor restricción en la unión de tubos tubing con el eje del colector.

3.1.6.6 Componentes del sistema

Los componentes del equipo de muestre0 son:

a) Boquillas colectoras

b) colector

c) eje del colector

d) sonda

e) reducción bushing

f) válvula de i”(50.8 mm)

46

DISEÑO DEL SISTEMA CAPiTULO 3

g) Ciclón

h) conjunto tomillo sin fin y corona

i) flecha de transmisión de potencia j) soportes de flecha

k) 2poleas

1) flecha del motor a polea m) chumacera

n) banda dentada de transmisión

o) motor propulsor

p) soporte del motor

q) adaptador para puerto

r) caja protectora de engranes

Una vez definidos los materiales, geometria y tamaños del equipo se procedió a desarrollar

los dibujos de detalle para el taller. Ver Apéndice C.

\ . El ciclón se construyó de acuerdo a las recomendaciones de la norma ASTM D197-87[281.

Ver Apéndice C.

3.1.6.7 Construcción

Todas las piezas se maquinaron en el taller de máquinas-herramientas del IIE a excepción

del motorreductor y algunos elementos de transmisión como: banda, poleas y chumaceras,

los cuales se compraron en el mercado.

'47

~ .. . .

DISEflO DEL SISTEMA cAPtmo 3

Figura 3.23 Sonda construida, Vista frontal. Se aprecia la posición de la varilla colectora

Figura 3.24 Sonda construida, vista posterior. Se aprecia otra posición de la varilla colectora.

48

CAPfTULO 3 DISENO DEL SISTEMA

3.2 Realización de prJebas de validación

Para validar el sistema se construyó un dispositivo similar al ducto real de una planta

carboeléctrica en operación normal. En este dispositivo se hace circular ceniza en polvo por

medio de aire, el ducto tiene 1100 mm de diámetro, la corriente de aire se produce con un ventilador de tiro forzado; finalmente el polvo es separado del aire mediante un ciclón,

logrando así capturar nuevamente el polvo. El arreglo es como se muestra en la figura 3.25.

SOPORTE DEL

SISTEMA DE

VENTIWR DE m o FORZADO

Figura 3.25 Dispositivo diseñado para evaluar el sistema de muestreo.

49


3.2.1 METODOLOGíA PARA LA EVALUACIÓN DEL EQUiPO

Para evaluar el equipo se usó el mínimo número de variables, ya que con más variables

siempre el problema se complica, de esa manera un punto importante fue que el flujo fuera

laminar y completamente desarrollado. La variable que más nos interesa en este caso es la

masa.

Para poder evaluar la sonda de muestreo: primero se midió el flujo de polvo, que se haría

circular en el dispositivo construido para simular al ducto vertical de carbón pulverizado.

En este caso se utilizó ceniza de carbón, en lugar de carbón pulverizado. Lo importante es, en este caso, observar el comportamiento del flujo de polvo con aire dentro del ducto

vertical.

Figura 3.26 Ventilador de tiro forzado y ducto vertical con diámetro de 1100 rnm.

50


La experimentación se manejo en tres etapas: l a Movimientos del mecanismo, sin ningún flujo,

2" experimentación con flujo de aire y movimientos del mecanismo y

3a experimentación preliminar con flujo de aire y polvo.

Todas estas etapas conducen a la experimentación final de la muestra.

5 1


CONDiClON

1. Eyector y ventilador funcionando

2. Ventilador funcionando

3. Fondo del ducto vertical

4. Polvo acumulado en el sistema

3.2.1.1 Procedimiento para medir el flujo de polvo dentro del ducto vertical

CANT RECUPERADA

10 g (colector 11) '

37 g (colector 11)

523 g

430 g

1. Se pesó 1 kg de polvo (ceniza),

2. Se colocó un recipiente vacío y previamente pesado en el ciclón 2,

3. Se suministró polvo al flujo de aire por medio de un eyector, se midió el tiempo en

suministrar Ikg de ceniza.

4. Al terminar de suministrar el polvo, se apagó el ventilador de tiro forzado,

5. Se desconectó el recipiente colector del ciclón 2,

6. Se pesó el recipiente del ciclón 2, así como el polvo acumulado dentro del ducto

vertical,

7. Se hizo un balance de masa para determinar el flujo de polvo en el ducto vertical.

CONDiClON

1. Eyector y ventilador funcionando



Los datos utilizados fueron:

la prueba

CANT. RECUPERADA

16 g (colector 11)

673 g

311 g

52


CONDICIÓN




i . . . . ,

En estas dos pruebas se observó que el flujo de'polvo era muy pequeño. El problema aquí

fue que si se suministraba mayor presión con el ventilador de tiro forzado, el eyector dejaba

de suministrar polvo, existía un límite en el cual el eyector funcionaba satisfactoriamente.

CANT. RECUPERADA

16 g (colector 11)

914 g

70 g

A causa de eso, se optó por suministrar el polvo dentro del ducto vertical, con el ventilador

de tiro forzado apagado. Una vez que el polvo estuviera dentro, suministrar la comente de

aire por medio del ventilador de tiro forzado a su presión máxima.

En esta forma, el procedimiento fue:

1. Se pesaron 1000 g de polvo en un recipiente I,

2. Se suministró el polvo dentro del ducto vertical por medio del eyector,

3. Una vez que se suministraron los 1000 g de polvo, se sellaron todas las líneas

del eyector, (para evitar fugas de aire con polvo)

4. Se colocó un recipiente limpio en el ciclón 2,

5. Se activó el ventilador de tiro forzado y el cronómetro,

6 . Se observó el recipiente del ciclón 2 para evitar que se llenara,

7. Una vez que se llenó de polvo el recipiente del ciclón 2 se apagó el ventilador

* de tiro forzado,

8. Se pesó el polvo colectado en el ciclón 2,

9. Se pesó el polvo que permaneció dentro del ducto vertical,

Los datos utilizados siguiendo este procedimiento fueron:

53

D~SEÑO DEL SISTEMA CAPiTULO 3

3.2.2 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO

En este punto se probó el funcionamiento de la sonda, se insertó por el puerto y se accionó

el motor, la varilla colectora inició su movimiento, pero hubo momentos en que la boquilla

más alejada ai centro del ducto vertical rozaba con las paredes del mismo y se detenía el movimiento de la varilla colectora provocando esfuerzos en los elementos de transmisión

de potencia.

Figura 3.28 Puerto de muestreo.

54

CAP~TULO 3 D~SEÑO DEL SISTEMA

I

Figura 3.29 Sonda instalada para observar los movimientos dentro del ducto.

3.2.3 REALIZACI~N DE AJUSTES El problema observado fue que al momento de construir el ducto vertical no se le dió la

forma exactamente circular a la sección transversal. En esas partes no circulares fue donde

rozó la varilla colectora.

Lo que se hizo fue mover unos milímetros las boquillas de la varilla colectora más larga,

quedando así espacio libre para que la varilla colectora realizara su movimiento dentro del

ducto vertical.

55

CAPíTULO 3 DISEÑO DEL SISTEMA

Figura 3.30 Otra vista de la sonda ya instalada para observar los movimientos dentro del ducto.

3.2.4 PRUEBAS FINALES Se hicieron pruebas previas para decidir cual sena la mejor condición para tomar la muestra. Se siguió el procedimiento mencionado en el punto 3.2.1.1 para medir el flujo de

polvo en el ducto vertical. Se introdujo la sonda por el puerto del ducto vertical, se alineó y

se probó en forma manual, posteriormente, una vez verificado que la varilla colectora

realizaba el movimiento de barrido libremente dentro del ducto vertical, se accionó en forma automática.

En la parte experimental se presentó el problema de manejar un flujo bifásico menor que el

de una planta real a causa de la dificultad para generar las mismas condiciones. Fue posible

trabajar con el flujo presentado en el punto 3.2.1.1.

56

CAP~TULO 3 DISENO DEL SfSTEMA

CONDfCfON

1. Ventilador funcionando .


3 . Fondo del ducto vertical


Figura 3.31 Haciendo pruebas finales del sistema

CANT. RECUPERADA

277 g (colector 11)

O g (colector I)

663 g

60 g

Se hicieron una serie de pruebas previas a la final, de las cuales se muestra una de ellas

donde se comprueba que el sistema cumple con las especificaciones de las normas.

Los datos utilizados para probar finalmente la sonda fueron:

Con los datos obtenidos se realizaron los cálculos correspondientes para conocer el

porcentaje de recuperación del equipo y saber si realmente obtiene las muestras esperadas.

57


3.2.4.1 Cálculos comparativos entre situaciones teóricas y experimentales

Se hizo este cálculo para determinar la cantidad de masa que se obtendría si se utilizara el

equipo en una planta a operación normal, siguiendo los procedimientos de las normas

correspondientes, se considera un porcentaje de recuperación del 1 OO%, suponiendo que el

muestreo se realiza en las mejores condiciones posibles.

DATOS: Area del ducto: 950332 mm2 Área de boquillas: 78.54 mm2

% de recuperación: 100 % Flujo en el ducto: 170 t nh Tiempo de muestreo: 4 minutos

F F Partiendo del criterio de que:

F, = flujo en el ducto vertical

F, = flujo en las boquillas de la sonda; Fb = ,

A, = área del ducto vertical

A, = área de las boquillas

= 2 donde: Ad Ab

musa recuperada tiempo demuestre0

0.00007854 m F b = - F d Ab ; F b = (47.22+)= 0.0039$

Ad 0.9503m2

masa recuperada = F, X tiempodemuestreo

masa recuperada = 0.0039$(240s) = 0.936 kg

:.La masa a recuperar en el recipiente del ciclón son 936 g.

Haciendo los cálculos correspondientes a la parte experimental, se tienen los datos de la

tabla 6:

58


real se tienen 0.0039 kg/s (234 dmin).

Sustituyendo en la ecuación correspondiente se

Tabla 6. Resultados’ de la evaluación del equipo.

obtiene:

De acuerdo a los cálculos anteriores, se observa que el porcentaje de recuperación en los

dos casos esta dentro del rango satisfactorio, es decir entre el 90 y 110 % y con ello se

concluye que el porcentaje de recuperación obtenido prácticamente es el mismo.

59


Este porcentaje es indicativo de que la muestra es satisfactoriamente representativa, de

acuerdo con lo establecido en el diagrama de la figura 2.4 y con ello se cumple con los

requerimientos determinados para el diseño desarrollado.

3.2.5 RECOMENDACIONES DE UTILIZACI~N DEL EQUIPO 3.2.5.1 Condiciones de muestreo

La precisión del muestreo con respecto a la distribución de tamaño de partículas depende

del grado de segregación en los ductos. En ductos horizontales el polvo tiende a separarse

del gas de manera que se concentra en la parte baja del tubo. La distancia minima aguas

arriba de cualquier disturbante de flujo será de 8 veces el diámetro interno del ducto. La

mínima distancia aguas abajo del disturbante será igual a 2 veces el diámetro interno del

ducto.

3.2.5.2 Estabilidad de condiciones de operación

Durante el período total de muestreo, la alimentación del pulverizador y el flujo aire-sólido

tendrán que mantenerse constantes.

3.2.5.3 Velocidad de extracción

El muestreo a través de las boquillas de la sonda se realizará a la misma velocidad que se

presente en el ducto del carbón pulverizado, esto es para lograr un flujo isocinético.

3.2.5.4 Condiciones y preparación del equipo

Revisar todas las partes del equipo, que no estén dañadas a causa de accidentes en el

transporte. Limpiar el equipo con aire seco, de preferencia aire caliente, con flujo en

dirección opuesta a como funciona normalmente.

3.2.5.5 Inserción de la sonda

Durante la inserción de la sonda puede evitarse que se introduzcan partículas de polvo

suministrando una corriente de aire por la sonda, en dirección contraria al flujo normal.

Antes de insertar la sonda, revisar la posición de la varilla colectora y la polea de

60

DISEÑO DEL SISTEMA CAPiTULO 3

transmisión con respecto a la marca de referencia para contar las revoluciones de la polea y saber en que posición se encuentra la varilla colectora en el interior del ducto de carbón.

Debe manejarse con cuidado la cabeza de la sonda al momento de introducirla por el puerto

de muestreo, para evitar dañar las boquillas. Introducir la sonda hasta llegar a la válvula de

bola del puerto, conectar el soporte sello de la sonda, abrir la válvula de bola, introducir

toda la sonda y ajustar la distancia de acuerdo a las marcas en el soporte de la sonda para

colocar el centro de la cabeza de la sonda en el centro del área del ducto de carbón.

3.2.5.6 Tomado de la muestra

Para iniciar el muestreo activar simultáneamente el switch del motor y un cronómetro,

también la aspiradora en los casos necesarios. Tratar de mantener constante el flujo durante

el período de muestreo. Contar las revoluciones que da la polea motriz, en 11 revoluciones

la cabeza de la sonda estará en su posición inicial en un tiempo de 4 min. 28 s.

3.2.5.7 Retiro de la sonda

Una vez terminada la colección de la muestra se retira el depósito con la muestra obtenida,

se tapa bien y se marca con la identificación correspondiente. Con el motor apagado se

extrae la sonda, aflojando los tomillos de ajuste del soporte-sello, una vez que está la

cabeza fuera de la válvula de bola del puerto, se cierra la válvula, se retira el soporte-sello y se extrae todo el equipo. Se limpia el equipo con aire caliente a contraflujo.

3.2.5.8 Reporte de muestreo

Se realiza un reporte con la siguiente información:

a) Referencia a la norma internacional usada, en este caso IS0 9931, b) tiempo y lugar de muestreo,

c) identificación del operador del equipo, d) condiciones de muestreo, por ejemplo: tipo de carbón, condiciones de operación del

pulverizador y flujo del carbón dentro del ducto,

e) identificación de la muestra,

0 cualquier característica irregular notada durante el muestreo.

61

C

CAPÍTULO 4

Conclusiones y recomendaciones

Después de caracterizar el funcionamiento del equipo diseñado se puede mencionar que

efectivamente se logró el objetivo propuesto..El sistema puede usarse para tomar muestras

representativas en tiempos razonables de muestreo tanto de carbón pulverizado en ductos

circulares con diámetros de 1100 mm, como cualquier polvo que circule en ductos

verticales donde exista flujo completamente desarrollado y realiza la colección de acuerdo a

lo establecido en las normas que se mencionan acerca de la selección de los puntos de

muestreo.

En caso de no disponer de un flujo completamente desarrollado, es posible efectuar

modificaciones mínimas en el equipo (mediante la reducción de la velocidad de giro) para

mejorar la representatividad de la muestra. Por otro lado, por cuestiones prácticas para

construir el equipo se manejaron geometrías con restricciones de flujo, que son suceptibles

a mejorarse.

El movimiento continuo de las boquillas permite colectar más del número mínimo de

puntos de muestreo recomendados por la norma. El colector realiza una vuelta completa en

4 minutos y 28 segundos a velocidad continua constante. Esto significa que se están

considerando más de los 64 puntos de muestreo de acuerdo al estándar IS0 9931; logrando

así cumplir con el método 1 de la EPA CFR 60, lo cual incrementa la representatividad de

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CAPíTULO 4

la muestra y se obtiene una eficiencia de colección dentro del rango considerado como

satisfactorio.

Alcances:

El sistema de rnuestreo diseñado tiene una amplia gama de aplicaciones, se puede utilizar

en cualquier proceso que tenga las siguientes caractensticas:

- Flujo bifásico (sólido-gas),

- cumpla las recomendaciones del método 1 de la norma EPA 40 CFR-60 e

IS0 9931-199 (E), - tamaño de partículas del orden de 100 pm.

- flujo completamente desarrollado, - en las chimeneas se puede utilizar este equipo acoplando la sonda a un

equipo isocinético, como el Andersen, por ejemplo.

La sonda está diseñada con base en las características geométricas del ducto por donde se

transporta el flujo de carbón piilverizado y el puerto de muestreo, lo cual nos lleva a tomar

una muestra homogénea, representativa y con los tiempos razonables de muestreo logrando

así que la toma de muestras se realice más rápido que con una sonda de una sola boquilla.

Limitaciones:

- Para extraer la sonda del ducto se tiene que contar el número de vueltas que gira la

polea de la flecha de transmisión con respecto a una marca en el soporte de la flecha.

De esa manera se puede saber en que posición se encuentra la varilla colectora dentro

del ducto vertical.

- No puede introducirse la sonda en puertos de menos de 2" de diámetro. Sin embargo,

pueden diseñarse sondas con dimensiones diferentes basadas e n el mismo concepto.

63

CAPiTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- En este caso en particular se utiliza para tomar muestras de carbón en la entrada del

carbón al quemador; en la entrada del precalentador de aire regenerativo de la planta

carboeléctrica el ducto tiene una sección transversal rectangular, lo cual no permite

utilizar el equipo diseñado en ese lugar de muestreo.

- Por las condiciones del proceso y geométricas de este caso en particular, se limita a

utilizarlo sólo en ductos de sección circular, es decir en el ducto antes del quemador.

Suaerencias isara trabaios futuros

Para mejorar este sistema se recomienda:

Modificar el diseño del colector, de manera que las distancias entre las boquillas puedan

variarse y ajustarlas para cualquier diámetro de ducto.

Instalar un contador de revoluciones con indicador junto al motor, para saber cuál es la

posición del colector en el interior del ducto, de esta manera se sabría cuando detener el

motor con el colector alineado paralelamente a la sonda y poder extraerse todo el

sistema del ducto sin ningún problema.

Mejorar el diseño de elementos p q a lograr un mejor flujo en las partes donde se unen

los tubos tubing con el eje del colector y la unión del eje del colector con el soporte-

sonda para evitar acumulación de la muestra y posible erosión del interior de los

elementos de la sonda.

Otro aspecto que sería bueno considerar es construir una sonda similar para tomar

muestras de carbón en ductos de sección rectangular.

64

Referencias bibliográficas

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operación, sistema eléctrico nacional, subdirección de programación, sugerencia de

estudios de producción, 1993.

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Emissions from Coal-Fired Plants. Prog. Energy Combustion Sci., Vo1.6, 1980.

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gasification”, IEA Coal Research Publications, (London, IEACRí49, July 1992).

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6- Dale, L. Modes of Occurrence of Trace Elements in Coal, CSIRO, Summary of

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Combustion Sciencies Agreement-Annex 1, (category 11. Appendix 3, June loth, 1996).

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(Mc Graw-Hill, octubre de 1993).

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Research Publications, (IEAPEW2 1 , January, 1996).

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36- Fox R. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 4’. Edición. Mc Graw-Hill. 1995.

68

APÉNDICE A

Plantas carboeléctricas

Las plantas carboeléctricas son plantas generadoras de electricidad en las que la fuente de energía es el carbón mineral, es decir, las plantas carboeléctricas convierten la energía del

carbón en energía eléctrica.

Básicamente las partes principales de una planta generadora de electricidad son: el

turbogenerador, los auxiliares y el generador de vapor. (Ver figura A.l.) El turbogenerador

está compuesto de la turbina, el generador eléctrico y el condensador de vapor. Los equipos

auxiliares son los que tienen la tarea de recircular el agua al generador en las condiciones

de temperatura y presión requeridas.

El generador de vapor es un recipiente cerrado que tiene como objetivo la producción de

vapor de agua a presión mayor que la atmosférica, ese vapor será utilizado para mover la

turbina, que subsecuentemente moverá al generador eléctrico.

APÉNDICE A

Figura A. l . Diagrama de una central carboeléctrica.(Cortesía de West Penn Power Co.)

70

APENDICE A

EL CARBÓN COMO FUENTE DE ENERGíA

El carbón mineral se origina a partir de los restos en descomposici6n in in tempida de

árboles, arbustos, helechos, musgos, lianas y otras formas de'vida vegetal que florecieron

en lodazales y pantanos enormes, hace muchos millones de años, durante períodos

prolongados de clima húmedo, tropical y precipitaciones pluviales abundantes. El precursor

del carbón fue la turba, que se formó mediante la acción bacteriana y química sobre 10s

desechos de plantas. Las acciones subsiguientes del calor, la presión y otros fenómenos

fisicos provocaron una metamorfosis en la turba, para convertirla en las diversas clases de

carbón que se conocen en la actualidad.

Clasificación del carbón

Los carbones se clasifican por categoría, o sea, según el grado de metarnorfismo en la sene

del lignito a la antracita. En la Tabla 3 se muestra el sistema de clasificación adoptado por

la ASTM (American Society for Testing and Materials) según el estándar D 388-36. El

poder calorífico sobre base húmeda y el carbono fijo sobre base seca; estando ambas libres

de materia mineral, constituyen las bases de este sistema. Los carbones de categoría más

baja se clasifican según el poder calorífico (BTU/lb) sobre base húmeda libre de material

mineral. El carácter de aglomeración se utiliza para establecer diferencias entre grupos

adyacentes. Se considera que los carbones se aglomeran si la muestra restante de coque en

la prueba para detectar la material volátil, soporta un peso de 500 g o si la muestra se dilata

o tiene una estructura celular porosa.

El carbón mineral es un compuesto heterogéneo, está compuesto por carbón, hidrógeno,

oxígeno, azufre, nitrógeno y ciertos minerales incombustibles. A causa de esto el carbón es

una sustancia muy variable '''].

El tipo de carbón que se emplea como combustible en la central carboeléctrica en estudio es

carbón sub-bituminoso de flama larga, no coquizable. Sub-bituminoso indica que es el

71

ZL

' ~ ~ I O A Lnw '3 osou!wni!q odN% la ua salqeiou sauo!adaaua uaIs!xa anb L osou!wni!q ase13 el ap sod& soisa ua saiueu!$nl%e ou zah 14 sapepapen uais!xa anbeidam as 'oayuolea lapod la reuodui! u!s 'ory ouoqma la u03 oplanae ap u e a ~ ~ s e p as leiau!w e!Jaieui ap aJqq ' e m aseq aiqos oly ouoqrea ap qui o %69 uauag anb sauoqlea so?

xqqiea ap a!ayadns '¿I aiqos aIq!s!n en% [a añnlau! ou oiad p u e u op!uaiuoJ le alagal as pepawnq e7 q/pI = ~ Z E Z x q p i ~ p a u ! w ap aiqq 'epawnq aseq aiqos 91 iod n)8 OOSSI ap qw uaasod o leiau!w e!laiew ap alqg %as aseq aiqos ory ouoqrea ap %8p lap souaw

uawquoa sauoqre2 soisa sopo~, .osou!ww!qqns A pie10~ Lnui osoupni!q sasep sei ap oaguolea lapod ap o oly o u o q m ap sai!uijl sol ap oliuap uam anb L saunww oaod sea!ui!nb L sea!sy sapepa!doJd uaua!i anb 'sopeayiwsa ou uqqlea ap sapepauen sei aiuaw[ed!suud 'sasep seunale aLnlaxa uq!aeag!sela eisg ' saFm 30 neaing 'S'n lap soiea

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...

... ...

... ...

... I ...

69

8L

Ii

ZL

APÉNDICE A

estado de formación más temprano del carbón duro. Estos carbones varían en color desde

negro grisáceo o pardusco a negro brillante; la mayoría son homogéneos y de superficies

lisas, con ligeras indicaciones de cepas ['O1

El carbón sub-bituminoso, tiene un elevado contenido de humedad, del 15% al 30%,

aunque en apariencia son secos, Cuando se exponen al aire pierden parte de esa humedad y se agrietan. Cuando se fracturan se dividen paralelamente a las bandas visibles en el sólido.

El poder calorífico es bajo y puede variar de 8297.506 BTU/lb a 11994.84 BTU/lb (19.3 a

27.9 MJkg).

FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA CARBOELÉCTRICA

El funcionamiento de una planta carboeléctrica puede resumirse en las etapas siguientes:

El carbón es suministrado a central carboeléctrica mediante dos sistemas, los cuales

consisten en la recepción del carbón proveniente de minas y tajos. Inmediatamente cuando

se recibe el carbón, se toman muestras para analizar su calidad. Estas muestras son tomadas

de las bandas transportadoras que suministran a ambos sistemas.

Para el almacenamiento y manejo del carbón se requiere & área considerable y un equipo

electromecánico, como las bandas transportadoras. El almacenamiento tiene dos

intenciones:

Disponer de combustible en caso de una interrupción, cuando por cualquier circunstancia

dejan de llegar remesas.

La elección de la fecha de las compras, con lo que el comprador puede aprovechar las

variaciones en las condiciones del mercado. El almacenamiento del carbón es, en

primer lugar, una protección contra las huelgas del carbón, falla de sistemas de

transportes y en general de la escasez de carbón.

En la planta lavadora se lava el carbón proveniente de los silos de almacenamiento para

eliminar compuestos adheridos al carbón, cuando éste no cumple las especificaciones

establecidas por el comprador, para posteriormente someterlo a la trituradora.

13

AFÉNDICE A

La trituradora empleada es de cuchillas, su función es realizar una trituración primaria, esto

es, trozar el carbón en pequeños pedazos para que posteriormente puedan ingresar al

pulverizador.

El pulverizador que se emplea es un molino de bolas, su función es moler y pulverizar el

carbón a un tamaño mínimo de malla requerido para la buena combustión en el hogar del

generador de vapor, este equipo permite obtener una gran velocidad de carga tratada para

una gran carga circulante en la molienda de materiales. El carbón se pulveriza para

aumentar su superficie expuesta, provocando una combustión rápida sin usar cantidades

excesivas de aire. El aire se utiliza para desecar el carbón, transportarlo a través del

pulverizador, clasificarlo y transferir las partículas finas especificadas al quemador, donde

el aire de transporte proporciona parte del aire necesario para la combustión[231.

Después del pulverizador, el carbón pulverizado pasa al generador de vapor donde se

transforma la energía del carbón en energía térmica para producir el vapor de agua. En el

hogar del generador de vapor se localizan los quemadores. Es ahí donde se realiza la

combustión por lo que se le da énfasis, en nuestro caso, a esa parte porque es el lugar en

donde se inicia la formación de productos contaminantes en diferentes concentra~iones'~~~.

El quemador es el dispositivo que proporciona el combustible para la combustión. Debe

mezclar el combustible y un agente oxidante en proporciones que se encuentren dentro de

los límites de flamabilidad para el encendido y así lograr una combustión constante. El

calor producido por el combustible es aprovechado para calentar agua hasta convertirla en

fase de vapor, el cual moverá las turbinas y posteriormente éstas a los generadores

eléctricos.

Una vez que se realiza la combustión los gases producidos pasan al precalentador de aire

regenerativo y posteriormente al precipitador electrostático. La función principal del

precipitador electrostático es evitar la contaminación atmosférica, se localiza en la descarga

de los gases de combustión. Las partículas suspendidas en los gases se exponen a un campo

74

b APÉNDICE A

electrostático, adquieren una carga y se desplazan bajo la acción del campo[231. Finalmente

los gases pasan a la chimenea.

La función de la chimenea es desfogar los gases de combustión a la atmósfera, su altura es

del orden de 120 m, está hecha de concreto, el revestimiento intemo es de tabique

refiactano, la chimenea es de esta dimensión para disminuir el efecto de las partículas y

gases emitidos a la atmósfera. Una de las ventajas de la descarga de contaminantes a

niveles elevados es que las velocidades son mucho más elevadas y la dilución de los

contaminantes se lleva a cabo en forma mucho más rápida.

COLECCI~N DE CARBÓN

Requerimientos generales para colectar carbón

Se parte haciendo un estudio de la zona donde se localiza el material, este estudio busca

determinar los sitios más representativos, los cuales requieren una evaluación en forma

prioritaria. Es muy importante para la localización, disponer de un plano detallado de la

zona donde se tomarán las muestras. (Ver figura A.2.)

Es necesario considerar los procesos físicos, relacionados con el diseño del homo,

turbulencia, sistemas de control de contaminación, perfiles de temperatura y otros

parárnetros, ya que estos afectan la disíribución de elementos traza. La mayoría de los

elementos son separados en los residuos sólidos. Sin embargo, las cantidades variables de ciertos elementos traza están presentes en el flujo de gases tanto en estado sólido como en

la fase gas y pueden ser liberados a la atmósfera con el flujo de gases['01.

75

APÉNDICE A

Figura A.2. Localización de puntos de muestreo.

16

La cantidad de cada elemento emitido depende de:

la distribución de los minerales entre las diversas fases de la materia prima, en este caso

el carbón,

el tamaño o tipo de generador de vapor,

las condiciones de operación,

la eficiencia de los sistemas para el control de la contaminación.

Los procesos químicos y fisicos que se llevan a cabo durante ei proceso de combustión del

carbón son complejos, los elementos traza son introducidos al sistema en forma de

partículas o como fragmentos de roca.

Toma de muestras

Reglas fundamentales del muestreo de carbón[251

1 . El dispositivo de muestreo tiene que ser acorde al tamaño de partículas.

2. Las dimensiones de los dispositivos de muestreo empleados tienen que permitir que

grandes partículas pasen libremente dentro de éste.

3. El número de incrementos primarios tomados tienen que ser suficientes para cubrir las

variacio,nes en calidad dentro del sitio de muestreo y, por 10 tanto, obtener la precisión

deseada.

4. La mínima masa de una muestra deberá contener las mismas características de la

muestra original.

Localización de un punto de muestreo

La toma de muestras se tiene que realizar en una sección completa. Si se tiene una comente

rápida es conveniente usar una base mecánica de muestreo en el punto de carga o descarga

de donde se desee obtener la muestra para su análisis[251.

.

Sistemas de muestreo:

I. Muestreo mecánico. Este sistema de muestreo tiene que diseñarse para que los

duplicados de las muestras colectadas permitan verificar su precisión, considerando

incrementos alternados automáticamente.

Muestreo manual. En este sistema de muestreo, se necesita que exista un espacio

considerable en el punto de muestreo para dos o más dispositivos de muestreo. El

duplicado de las muestras puede ser tomado para verificar la precisión del rnuestreo

o pérdidas del mismo'2s1.

I1

Requerimientos.

El equipo de muestreo tiene que diseñarse de tal forma que permita disminuir las probables

fuentes de error. Es importante evitar:

a) Derrame del material de la muestra.

b) Obstrucciones del flujo de muestra a través del equipo, el flujo libre de muestra

tiene que ser constante.

c) Contaminación de la muestra, provocada por efectos ambientales, entre otros; el uso apropiado de sistemas cerrados[251.

Procedimiento general para cualquier muestreo

Lote

Un lote es una unidad de muestreo o una serie de unidades de muestreo. Por ejemplo: el

carbón entregado a lo largo de un período de tiempo o carbón producido durante un cierto

período.

a) Definir la cantidad de parámetros a ser determinados. b) Definir el lote.

c) Definir la precisión requerida.

d) Determinar la variabilidad de la muestra.

e) Establecer el número de unidades de muestre0 que se requiere para alcanzar la precisión deseada.

f ) Establecer el número mínimo de incrementos.

78

APÉNDICE A

g) Establecer el tamaño nominal de la muestra con el propósito de determinar la referencia del incremento de masa.

h) Decidir cuando usar un muestreo con base al tiempo o con base a la masa y definir los intervalos de muestreo en minutos o toneladas respectivmente.

Determinar el método de preparación de la muestra[261. I)

79

APÉNDICE B

CALCULO DEL CONJUNTO SIN FIN Y CORONA[321

2.75 = 11 Rel. Vel.=ll 6J,W"¡llO - - Relación de velocidad = ~ - ~

6J,,", 0.25

- Ncorona= Rel.ve1. (Niomiiio) = 1 l(2) = 22 dientes en la corona

- 18.62 plg Paso diametral óptimo = 18 22 -Pd = Ncoro"o - Diámetro de paso 1.1811

- Ntomilla = 2 dientes en el tomillo

Paso circular del tomillo (P) = - = O. 1745 n - 18

- Paso del filete del tornillo ( L ) L = tP = 2X 0.1745= 0.349 plg = 8.864 mm

- Distancia entre centros (C)

=0.7155plg=18.17mm (D + d ) - 1.181 1 + 0.25 C = - 2 2

- Paso lineal del tomillo y circular del engrane ( P )

=0.1745plg=4.43 mm L 0.349 p=-=-- t 2

Ancho de la llanta del engranaje (para tomillos de filetes Único y doble, se multiplica el

paso circunferencia1 por 2.38 + 0.25)

F= 2.38P+0.25 = 2.38(0.1745)+0.25 = 0.665 plg

Para este caso particular por cuestiones de espacio se consideró:

= 0.248plg = 6.31 mm - 0.7155°875 co 875 - F = - 3 3

(Cuando los filetes del tomillo forman parte del árbol)

- Cabeza Para tomillos de 1 Ó 2 filetes, a = 0.318P y la altura total W =0.686P

a = 0.318(0.1745) = 0.055plg = 1.40 mm W =0.686(0.1745)=0.119plg=3.04mm

Diámetro primitivo del tomillo (d)

d = 2C-D d=2(0.7155)- 1.1811=0.2499plg=6.35 mm

- Diámetro total del tomillo (do) &= d + 2a = 0.25 + 2(0.055) = 0.367plg = 9.33 mm

- Diámetro primitivo de la corona (D )

= 1 . 2 2 ~ 1 ~ =30.91 mm TP 22(0.1745) D=-= 7t 7t

- Ángulo de paso del tomillo ( L, )

- Paso normal del tomillo (P,) P, = PxcosL, = 0.1745cos23.9So= 0.159plg =4.05 mm

- Razón

- Velocidad de frotación en piedmin.

81

APÉNDICE B

V = 0 . 2 6 2 n j q = 0 . 2 6 2 ( 0 . 2 S ) , / m = 0.0178- pies min.

- Diámetro de garganta de la corona @t) Dt = D + 2A

A = m(2cosL, -1) m = 0.3183P m = 0.3183(0.1745) = 0.0555

A = 0.0555(2~0~23.95"-1) = 0.045 DI = 1.1811 +2(0.045) =1.2711 plg = 32.28 rnm

- Radio de garganta de la corona (W)

2(0.055) = O.O735plg= 1.76 ~III do 0.367 u = --2a = __ - 2 2

- Altura del diente ( W)

W = a + b b = m ( 2 . 2 ~ 0 ~ L , - l ) b = 0.0369(2.2~0~23.95"-1) b = 0.04 W = 0.036 + 0.04 = 0.076plg = 1.9304 mm

- Diámetro total de la corona. Para L, entre 15" y 20". Do = D-(3~0.3183P) D, = 1.1 81 1 + (3~0.3183)(0.1745) = 1.34733 lg = 34.23 mm

-Ángulo de presión. Para ángulos de paso de 10" ó 12" hasta 20" ó 2 5 " , ángulo de presión = 29"

82

APÉNDICE c

Dibujos técnicos

83

r 1

L 12 17

ESCALA: 1:l

CORTE A-A

Soporte-alojamiento IIE I COTAS: mm

CORTE 6-6

FECHA:i3/i0/99

~~ a-+ Material: Tubo de acero inoxidable 3/4" C-40 AIS1 316 Dlbu,6:

El ajuste para el rodamiento será 21N6/h5 AIv,mr

Ro"l.6 Y.l.lo,gs A. All.mIlb"0 B. ,

' I +It I

ESCALA: 2:l EJE DEL COLECTOR IIE COTAS: mm

Dibujó Ing Adán Huerta Alvlzar

Los acabados superficiales se indican en pm Material. a ce ro inoxidable AIS1 31 6

22 99

Profundidad total

DATOS DE CORTE Número d e f i l e t e s

3.21

I Paso circular I 0.1745

ESCALA: 2 1

Paso diametral

Angulo de presidn

TORNILLO SIN FIN IIE COTAS: mm

IAngulo de avance I 24'

I Cabeza I 1.40

FECHA: 14/10/99 I Material: acero SAE 1045 Dibujó: Ing. Aden Huerta Alvízai

Revisó: M.I.Jorge A. Altamirano B

I INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Dibujo: Ing. Adán Huerta A. Revis6:M.I. Jorge A . Altamireno E.

FLECHA DE TRANSMlSlON

Material: acero SAE 1045

Z8/i D/99

ESC.: I: l ACOT.: mrn

R0.25 - 1.13

NGmero d e d i e n t e s 22

I Número de filetes 1 2

Profundidad total

Paso circular 0.1745

Paso diametral

Angulo de presidn

3.218

IAngulo de avance 1 24'

Cabeza

IAvance a la derecha I

1.40

ESCALA: 2.5:l

FECHA: 13/10/99

CORONA IIE COTAS: mm

Dibuj6: Ing. Adán Hueria Alvlzar

Revisó: M.I.Jorge A. Allamirano B. La corona se maquinará en bronce S.A.E. 65

ESCALA: 2.5:l

e-@ FECHA:zs’10/99

BOQUILLA COLECTORA IIE COTAS: mm

Material: acero inoxidable AIS1 316 Dibuja: Ing. AdKn Huerta Alv lz~r

Nota: Se elaborarán dos piezas iguales RevlSñ. NSlorge A. AllamIrano B

1-17 I 13

ESCALA: 2.5:1

a-@ FECHA:26’10/99

q I ’

BOQUILLA COLECTORA IIE COTAS: mm

Material: acero inoxidable aisi 316 Dibu16 Ing Ad6n Huerta Aivlzar

Revis6 U I Jorge A Allmniie.no 8 Nota: Se elaborarán dos piezas iguales

__- - I

L 76:; 7 1 6 4 OOL

;SCALA: 2:1 ?ECHA:ii/ii/99

a-@ BUJES 1I.E COTAS: mm

M a t e r i a l : bronce SAE 660 Dlbuj6 Ing. Ad6n HYerla AIVIIaI

E l a b o r a r 7 p i e z a s Revisó: Ing. Sergio Flores

ESCALA: 2:l I BUJES , I IIE I COTAS: mm FECHA:ii/ i i /99

a-@ Material: bronce SAE 660 Dlbuj6: Ing. M a n Huerlm Alulrar

Revisb: Ing. Sergio Flores E l a b o r a r 2 piezas

ESCALA: 1:l I SOPORTES DE LA FLECHA I IIE I COTAS: mm FECHA:i2/ii/99

a-@ Material: acero SAE 1045 Dibulo: Ing. Adsn Huerle AIvlzai

Revisb: Ing. Sergio Flore Elaborar 7 piezas

018.15 -

ESCALA: 1:l FECHA:i7/ii/99

TORNILLO INTERIOR #l DEL SOPORTE- SELLO COTAS: mm M a t e r i a l : ' B r o n c e al Mn de alta r e s i s t e n c i a DlbUIó: Ad6n Huerta . "

Revis6: Ing. Sergio Flores +-@ 1 A l e a c i ó n de cobre No. 863

05.76 7

ESCALA: 1:l

FECHA:i7/ii/99

MlL.28xl.Ll l9/16"-1ü UNF-ZAI I

TORNILLO INTERIOR #Z DEL SOPORTE- SELLC

M a t e r i a l : B r o n c e a l Mn de alta r e s i s t e n c i a a-@ I A l e a c i ó n de cobre No. 863

~ ~ ~~

COTAS: mm

Revisó: lng. Sergio Flores

1 PIEZA

ESCALA: 1:l FECHA: 17/11/99

0 L 76

SELLOS IIE COTAS: mm

Material: tefión Dibujó Ing Ad6n Huerla Alvlzar

Revisó lng Sergio Flores

1 PIEZA

11

Dibuj6 Ing Adán Huerta A

I_ 2 9 1

Revisó MI Jorge A Altamirano B

TUBO SOPORTE PRINCIPAL

Material: Tubo de acero inoxidable 3/8” C - 4 0 AIS1 316

26/10/99

ESC.:l:l ACOT.:mm

06 12 07 9 1 L 1 3

- - - - - _ _ - - - -

Dibujo: Ing. Ad6n Huerta A. Revis6:M.I. Jorge A. Altamirano B.

TUBO SOPORTE DE BOQUILLAS

Material: Tubo de acero inoxidable 5/16 BWC'SO Tubing AIS1 316

26/10/99

ESC-:l:l

A C O T , : ~ ~

R 2 5 . -

Dibujb: Ing. Adán Huerta A.

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS Revis6:M.I. Jorge A. Altamirano B.


Material: Tubo de acero inoxidable 5/16 BWG 20 Tubing AIS1 304

Z6/10/99

ESC.'I:1

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INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS

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INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS -

Revis6:M.I. Jorge A . Altemirano B - Dibujb: Ing. Adan Huerta A.


Material: Tubo de acero inoxidable 5/16 BWG 20 Tubing AIS1 316

Z6/10/99

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M50.8. rosca para tubo (2" 11 112 NPTI

C O R T E A-A

I INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS

TUERCA DEL SOPORTE-SELLO

Material: Bronce al Mn de alta resistencia Aleación de cobre No. 863

4

CORTE A- A

2 L 1 , ,

C O R T E 6-6

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS

Material: Bronce al Mn de alia resistencia ESC.:l:Z Aleación de cobre No. 863 ACO~.:mm

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