Recuperación de Calor Residual en
Plantas de Ácido Sulfúrico
Claudia Araya Bravo
Ingeniero Senior de Procesos
Holtec Ltda
X MESA REDONDA DE PLANTAS DE ÁCIDO SULFÚRICOPunta Arenas - 2014
Antecedentes Generales
Secado• Secador Rotatorio
directo
• Secador Rotatorio Indirecto
• Lecho Fluidizado
Fusión• Convertidor
Teniente
• Horno Flash
• Reactor Noranda
Conversión
• Convertidor PeirceSmith
RefinoHornos Rotatorios de
Refino a Fuego
Horno basculantes
Horno Reverbero
Tratamiento Escorias
•Hornos LE / HE
•Hornos Eléctricos
•Planta de flotación de escoria
Limpieza de Gases
•Enfriamiento y limpieza
•Conversión
•Absorción
Insumos principales, Vapor, Aire caliente, Energía eléctrica, Combustibles fósiles
Antecedentes Generales
En una planta de ácido sulfúrico de quema de azufre 5,4 GJ / ton ácido es generado, 30% en elcircuito del ácido (11% SO2)
En una planta de ácido sulfúrico metalúrgica 2,7 GJ / ton ácido es generado, 93% en el circuitodel ácido (8,5% SO2)
Zona de Absorción Zona de Contacto
Principales Usos del Calor Residual
Calor de Alta Temperatura y Baja Temperatura
Calor de Alta T°
Vapor sobresaturado de Alta Presión y generación de energía eléctrica.
Si se ocupa turbogenerador de múltiples pasos, vapor de media y baja presión
En Fundición de níquel, vapor de alta presión para uso directo en los autoclaves en
el proceso de extracción
Principales Usos del Calor Residual
Calor de Baja T°
Agua Caliente: Precalentar agua desmineralizada hacia desaireador o hacia caldera
o agua caliente de uso doméstico
Aire Caliente: Precalentar aire secador directo u horno
Generación de Energía Eléctrica mediante un ORC
Desalinización de agua de mar, calor se transfiere a unidades evaporadoras multi
flash vía indirecta mediante un circuito cerrado de agua desmineralizada
Principales Usos del Calor Residual
Tecnologías Patentadas
Vapor de baja presión (HRS & HEROS)
Uso de mayor t° del ácido en la torre de absorción intermedia. Uso de caldera tipo kettle
generando vapor saturado a una presión de 1 MPa (10 bar) aprox.
Alto % SO2, (LUREC & BAYQIK)
LUREC: El principio es de recirculación de SO3
BAYQIK: Reactor cuasi-isotérmico como base de proceso
Cuantificación del Calor
Generación de calor:
Reacciones exotérmicas
Dilución de ácido sulfúrico
Factores que determinan la generación de calor:
Gases: % SO2 de entrada y flujo, conversión a SO3 (T° entrada gas y % SO3)
Ácido: T° entrada ácido, % salida de ácido, T° entrada gas, % entrada SO3
𝑆 + 𝑂2(𝑔) = 𝑆𝑂2(𝑔) ∆𝐻° = −297 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂2(𝑔) +1
2𝑂2(𝑔) = 𝑆𝑂3(𝑔) ∆𝐻° = −99 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
𝑆𝑂3(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) = 𝐻2𝑆𝑂4(𝑙) ∆𝐻° = −132,5 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
∆𝐻𝑚𝑖𝑥 𝐻2𝑆𝑂4 = −1,82 ∗ %𝑝
𝑝𝐻2𝑂 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐻2𝑆𝑂4 [𝑀𝐽 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 − 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4]
Cuantificación del Calor
Balance de energía circuito de ácido
Cp Agua: 4,18 J/g°C o 1 cal/g°C
Cp Ácido Sulfúrico: 0,38 cal/g°C
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇
Cuantificación del Calor
Balance de energía zona de gases
Polinomio de los gases
Ecuación de Chase H = F(T)
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇
𝑮𝒂𝒔 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝑪𝒂𝒍ó𝒓𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅
𝑺𝑶𝟐 7,7 + 0,00530𝑇 − 0,00000083𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙
𝑺𝑶𝟑 8,511 + 0,009517𝑇 − 0,000002325𝑇2 𝐵𝑇𝑈/𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙𝑅
𝑶𝟐 8,27 + 0,000258𝑇 − 187700/𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙
𝑵𝟐 6,5 + 0,00100𝑇 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙
𝑪𝑶𝟐 10,34 + 0,00274𝑇 − 195500/𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙
𝑯𝟐𝑶 8,22 + 0,00015𝑇 + 0,00000134𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙
𝐻𝑇° = 𝐴 ∗ 𝑇 + 𝐵
𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵 ∗ 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 + 𝐶 ∗ 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚2
𝐻°𝑆𝑂3𝑇 = 0,07144 ∗ 𝑇 − 420,6
𝐻°𝑆𝑂2𝑇 = 0,05161 ∗ 𝑇 − 314,3
𝐻°𝑂2𝑇 = 0,03333 ∗ 𝑇 − 10,79
𝐻°𝑁2𝑇 = 0,03110 ∗ 𝑇 − 9,797
𝐻°𝐶𝑂2𝑇 = 0,05042 ∗ 𝑇 − 411
𝐻°𝐻2𝑆𝑂4𝑇 = 0,1485 ∗ 𝑇 − 858,3
𝐻°𝐻2𝑂𝑇 = 0,07568 ∗ 𝑇 − 308,4
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝛥𝐻
Casos Estudiados F1
Casos Estudiados F2
Casos Estudiados F3
Resultados de los Casos
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒆𝒏 𝑪𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒅𝒆 Á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒆𝒏 𝑪𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝑮𝒂𝒔𝒆𝒔
𝑀𝐽/ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ 𝑀𝐽/ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 263.902 73.117 63.032.000 48.282 13.377 11.532.193
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 183.466 50.831 43.820.000 40.089 11.108 9.575.178
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 203.820 56.471 48.681.500 22.853 6.332 5.458.522
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3
MJ/h Calor Circuito ácido
Calor Circuito Gas
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝑮𝑱/𝑻𝑴 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪. á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪. 𝑮𝒂𝒔
1 2,97 2,51 0,46
2 2,82 2,32 0,50
3 2,82 2,54 0,28
Uso del Calor
Generación Vapor (95%)
0
5
10
15
20
25
Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3
mv 20 bar hAA 25°C 17 14 8
mv 20 bar hAA 140°C 21 17 9,82
mv 20 bar hAA 212°C 24 20 11
mv 3,5 bar hAA 25°C 17 14 8
t/h
Uso del Calor
Generación de Energía Eléctrica mediante ORC (15%)
73.117
50.831
56.471
10.968
7.625 8.471
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
80.000
Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3
Calor Total Producido Energía Eléctrica producida
Uso del Calor
Aire dilución precalentado y agua precalentada para uso en caldera (95%)
𝑸 𝒅𝒆𝒔𝒅𝒆 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑸 𝒅𝒆𝒔𝒅𝒆 𝒈𝒂𝒔 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 250.707 45.868 𝑀𝐽/ℎ
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 174.293 38.085 𝑀𝐽/ℎ
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 193.629 21.710 𝑀𝐽/ℎ
Ahorros Ahorro Vapor
Ahorro Combustible
Ahorro EE y agua
𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒕/𝒉
𝑹𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓
𝒕/𝒉
𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 %
𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 𝑼𝑺$/𝒂ñ𝒐
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 21 27 78% 6.903.697
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 17 - - 5.732.205
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 10 12,5 80% 3.267.681
ƞ =𝑄𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
𝑄 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒=
𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∗ 𝛥𝐻
𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 ∗ 𝑃𝐶𝑆
𝑴 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒕/𝒉
𝑴 𝑪𝒐𝒎𝒃 𝒕/𝒉
(𝒂𝒈𝒖𝒂 𝟏𝟒𝟎°)
𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 𝑼𝑺$/𝒂ñ𝒐
𝑴 𝑪𝒐𝒎𝒃 𝒕/𝒉
(𝒂𝒈𝒖𝒂 𝟐𝟓°)
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 21 1,12 6.103.927 1,37
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 17 0,93 5.068.148 1,13
𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 10 0,53 2.889.131 0,65
𝑃𝑉 = ℎ𝑣 − ℎ𝐴𝐴
𝑃𝐶𝑆 ∗ ƞ∗ 𝑃𝐶 + 𝑃𝑄 + 𝐴 + 𝐸𝐸 + 𝑂𝑀
Evaluación Económica
Precio Energía
eléctrica
150 US$/MWh
Tasa de descuento 10% Capital
Propio
Depreciación 5 años
Horizonte evaluación 5 años
Tasa de impuesto 20%
PCS Enap 6 43124 KJ/kg
Precio Fuel Oil N°6(1) 631 US$/TM
hv (20 bar, 212°C) 2800 KJ/kg
hv (3,5 bar, 140°C) 2733 KJ/kg
hAA (25°C) 105 KJ/kg
hAA (140°C) 590 KJ/kg
hAA (212°C) 908 KJ/kg
Eficiencia Recuperador 95%
Eficiencia ORC 15%(1) Fuente: http://www.enap.cl/pag/66/991/tabla_de_precios_de_paridad
Inversión Monto
Recuperador 1.180.000 U$S
Generador de vapor 130.000 U$S
Bombas (2) BFW 52.000 U$S
Piping enchaquetado 200.000 U$S
Condensador 114.000 U$S
Desaireador 55.000 U$S
Válvulas 100.000 US$
Sistema de Control 250.000 U$S
Instalación puesta en
marcha
550.000 U$S
Precalentador de aire 235.000 U$S
Economizador 120.000 U$S
Equipo OCR 3.000.000 US$
Estudios, permisos 30.000 U$S
Contingencias 200.000 U$S
Instrumentacion 30.000 U$S
Costos Op y Mantenimiento 10% Inversión
Análisis de Riesgo Simulación Montecarlo mediante herramienta de Excel @risk
Variables inciertas de entrada y rango son (distribución pert, 1000 iteraciones,correlación calor 75%):
Variables más influyentes; Calor, Montos de inversión
𝑽𝒂𝒓𝒊𝒂𝒃𝒍𝒆 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴í𝒏𝒊𝒎𝒐 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑷𝒓𝒐𝒃𝒂𝒃𝒍𝒆 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟏 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 80.000 263.902 270.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟐 á𝒄𝒊𝒅𝒐 55.000 183.466 190.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟑 á𝒄𝒊𝒅𝒐 62.000 203.820 205.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟏 𝒈𝒂𝒔 15.000 48.282 49.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟐 𝒈𝒂𝒔 12.000 40.089 41.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟑 𝒈𝒂𝒔 7.000 22.853 23.000 𝑀𝐽/ℎ
𝑷𝒓𝒆𝒄𝒊𝒐 𝑭𝒖𝒆𝒍 𝑶𝒊𝒍 𝑵°𝟔
550 631 700 𝑈𝑆$/𝑇𝑀
Ƞ 𝑹𝒆𝒄𝒖𝒑𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓
𝒚 𝒑𝒓𝒆𝒄𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒂𝒅𝒐𝒓 85 95 99 %
Ƞ 𝑬𝒒𝒖𝒊𝒑𝒐 𝑶𝑪𝑹 12 15 18 %
𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑽𝒂𝒑𝒐𝒓 2.000 2.891 4.000 𝑘𝑈𝑆$
𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑨𝒈𝒖𝒂 700 776 2.000 𝑘𝑈𝑆$
𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑨𝒊𝒓𝒆 1.600 1.847 3.500 𝑘𝑈𝑆$
𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑶𝑪𝑹 2.000 4.711 5.200 𝑘𝑈𝑆$
Resultados de Análisis de Riesgo
Conclusiones
El calor generado en la fundiciones es de 2,82 a 2,97 GJ/t ácido sulfúrico
producido, principalmente del circuito de ácido.
Existen tecnologías de recuperación patentadas con referencias internacionales y
uso en Fundiciones Chilenas
Existen beneficios paralelos algunos no cuantificados (ahorro de agua, de energía,
ahorro de combustible, menos emisiones de CO2, etc.)
En el análisis económico se obtiene un VAN positivo para la implementación de
generación de vapor, precalentar agua, precalentar aire. Payback de los proyectos
menores a 2 años. VAN negativo para OCR (excepto 1,8% veces)
Conclusiones
Análisis de Riesgo confirma lo anterior pero entrega información del rango como se
mueve el VAN ante variables inciertas como generación de calor, eficiencia de los
equipos, precio del combustible y montos de inversión
Para la decisión final en una Fundición en particular futuro se considera además lay
out de la planta con espacio útil disponible, posibles interferencias, tecnología en la
fundición, datos reales de operación, trazado del piping, tamaño de los equipos,
accesos, cercanía fuentes calor, etc. Mitigar riesgo de operación principal.
Recuperación de Calor Residual en
Plantas de Ácido Sulfúrico
Claudia Araya Bravo
Ingeniero Senior de Procesos
Holtec Ltda
X MESA REDONDA DE PLANTAS DE ÁCIDO SULFÚRICOPunta Arenas - 2014