guÍa de buenas prÁcticas indirecto

GUÍA DE BUENAS PRÁCTICASDE OPERACIÓN PARA EQUIPOS DE

COMBUSTIÓN DE CALENTAMIENTO INDIRECTO

Guía de Buenas Prácticas de Operación para Equipos de Combustiónde Calentamiento Indirecto

SECRETARÍA DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALESBlvd. Adolfo Ruiz Cortines # 4209 Col. Jardines en la Montaña Tlalpan,México D.F., C.P. 14210

Dirección General de Energía y Actividades Extractivas

Segunda edición 2013

Impreso y hecho en México

http://www.semarnat.gob.mx

Agradecemos la colaboración de la Asociación Nacional de la Industria Química en el desarrollo de esta Guía.

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 5

2. COMBUSTIBLES 7

GASEOSOS 8

LÍQUIDOS 9

SÓLIDOS 10

3. COMBUSTIÓN 11

EXCESO DE AIRE 13

QUEMADORES 14

GASES DE COMBUSTIÓN 15

ANALIZADORES DE GASES 16

4. CALDERAS 19

CLASIFICACIÓN DE CALDERAS 20

Calderas Pirotubulares 20

Calderas Acuotubulares 21

INSTRUMENTACIÓN PARA CALDERAS 22

EFICIENCIA ENERGÉTICA TÉRMICA DE UNA CALDERA 24

CALENTADOR DE ACEITE TÉRMICO 25

5. BUENAS PRÁCTICAS 29

PRÁCTICAS OPERATIVAS 29

ANÁLISIS DE GASES 30

REGISTRO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 35

ANEXOS 39

BIBLIOGRAFÍA 53

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1. INTRODUCCIÓN

Esta guía tiene como propósito orientar a los responsables de la operación del equipo de combustión los principios básicos del proceso de combustión, tipos de combustible, su aprovechamiento, prácticas de mantenimiento, entre otros factores que generan beneficios de tipo ambiental, económico, productivo y competitivo. Una guía para el propietario consciente de la posibilidad real de obtener ahorros significativos mediante la implementación de cambios o modificaciones en las prácticas operativas de sus equipos.

Se entiende por “buena práctica de operación” cualquier actividad, acción, precaución o cuidado, tendiente a operar y conservar el equipo de combustión en las mejores condiciones posibles, para que el combustible suministrado se queme, con la mayor eficiencia y seguridad posible, para que se eviten emisiones contaminantes y pérdidas de calor innecesarias a través de los gases de combustión, fugas del fluido que calienta y radiación excesiva del propio equipo hacia el medio que lo circunda.

Las buenas prácticas de operación tienen como resultado que se opera el equipo con el máximo rendimiento, al menor costo y se prolonga su vida útil, obteniendo además importantes beneficios económicos y ambientales al evitar pérdidas de dinero y emisiones contaminantes innecesarias.

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2. COMBUSTIBLES

En términos generales, un combustible puede definirse como cualquier sustancia usada para producir energía calorífica a través de una reacción química. La energía se produce por la conversión de la masa combustible a calor, y están formados básicamente por carbono e hidrógeno con trazas de azufre y otros elementos en ciertos casos.

La clasificación general de los combustibles tiene como referencia su estado de agregación sólido, líquido o gaseoso.

• Gas Natural• Gas licuado del petróleo (LP)

• Gasolinas y naftas• Queroseno• Diesel• Combustóleo

• Carbón• Coque de petróleo• Bagazo de caña

Combustibles

Gaseosos

Líquidos

Sólidos

Figura 1. Clasificación general de los combustibles.

Los combustibles más usados en calderas son el gas natural, gas L.P., diesel (oil #2). Combustóleo (oil #6). La principal característica de los combustibles es su poder calorífico, el cual se define como la cantidad de calor producida por la combustión completa del combustible. (Anexo 2).

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Guía de Buenas Prácticas de Operación para Equipos de Combustión de Calentamiento Indirecto

Tabla 1. Balance Nacional de Energía 2010Tipo de Combustible Poder CaloríficoGas Natural 38,228 (kJ/m3)

Coque de petróleo 28,933 (MJ/t)

Carbón térmico 19,405 (MJ/t)

Combustóleo 6,364 (MJ/bl)

Diésel 5,681 (MJ/bl)

Gas Licuado 4,256 (MJ/bl)

Bagazo de caña 7,055 (MJ/t)

GASEOSOS

Debido a su existencia como sustancia en estado gaseoso y su afinidad con el aire, ofrecen excelentes condiciones para el proceso de combustión. Los principales combustibles gaseosos son:

Gas Natural: Es una mezcla de hidrocarburos simples que se encuentra en estado gaseoso, su principal componente es el metano (CH4) con pequeñas cantidades de etano y propano, incoloro e inodoro al que se le agregan odorantes químicos como el mercaptano para que se pueda detectar en caso de fuga. Se utiliza para la generación de electricidad, en diversas actividades industriales y domésticas.

Una ventaja de este combustible es su combustión completa y limpia, porque emite cantidades muy bajas de emisiones como el monóxido de carbono (CO), óxido de nitrógeno (NOx), bióxido de carbono (CO2) y, prácticamente, ninguna de bióxido de azufre (SO2).

Gas Licuado del Petróleo (GLP): Resulta de la mezcla de propano y butano es incoloro e inodoro (se le agregan odorantes para detectarlo en caso de fugas); tiene la propiedad de volverse líquido a temperaturas atmosféricas cuando es sujeto a una compresión moderada, y regresa a su estado gaseoso cuando esta presión se reduce. Gracias a esta propiedad, el Gas LP se puede almacenar y transportar en estado líquido, en cilindros o tanques. A nivel industrial se emplea en diversos equipos que requieren de combustible fácilmente controlable.

Tabla 2. Tabla de las propiedades químicas y físicas de algunos combustibles gaseosos

Combustible gaseoso

Densidad relativa kg/m3

Punto de ebullición °C

Punto de fusión °C

Punto de flash °C

Temperatura de auto-ignición

Límites de explosividad %

Gas Natural 0.6 -160 -182 -222 650 °C 4.5 – 14.5

Gas LP 2.01 -32.5 -167.9 -98.0 435.0 1.8 – 9.3

Combustibles

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LÍQUIDOS

Son generalmente derivados del petróleo obtenidos mediante la destilación fraccionada (de acuerdo con la temperatura de evaporación de los productos deseados). Cada uno de estos combustibles se constituye de una mezcla compleja de hidrocarburos, las cuales difieren en su contenido de hidrógeno (H) y azufre (S).

Queroseno: Combustible líquido constituido por la fracción del petróleo crudo que se destila entre los 150 y 300°C. Se usa como combustible para la cocción de alimentos, el alumbrado, en motores y en equipos de refrigeración.

Diesel: Combustible líquido que se obtiene de la destilación del petróleo crudo entre los 200° y 380°C. Se obtiene de una mezcla compleja de hidrocarburos parafínicos, olefínicos, nafténicos y aromáticos, mediante el procesamiento del petróleo. Es un líquido insoluble en agua, de olor a petróleo. Este producto se emplea como combustible en diversos procesos industriales. Es más pesado que el queroseno.

Diésel industrial bajo azufre: Mezcla de hidrocarburos parafínicos, olefínicos y aromáticos, derivados del procesamiento del petróleo crudo. Su contenido máximo de azufre total, es de 500 partes por millón en peso (ppmp). Este producto es para uso exclusivo en quemadores de flama abierta como calderas y generadores de vapor; y es el límite aplicable para diésel industrial en la Zona Metropolitana del Valle de México. Es de uso industrial con bajas emisiones de contaminantes.

Combustóleo: Hidrocarburo líquido oscuro insoluble en agua, con olor típico de petróleo. Es utilizado como combustible en los procesos industriales en hornos, quemadores, calentadores, secadores, calderas, generadores de energía eléctrica y embarcaciones mayores. De su combustión se obtienen como principales emisiones dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), óxidos de azufre (SOX) y agua (H2O).

Tabla 3. Tabla de las propiedades químicas de algunos combustibles líquidos

Combustible líquido

Densidad relativakg/m3

Punto de flash °C

Temperatura de auto-ignición °C

Viscosidad cinemáticaCST a 40°C

Límites de explosividad

Solubilidad en agua

Queroseno 0.8 35 220 1 – 2 5 0,7 - 5,0% Insoluble

Diesel industrial

0.83-0.845

52 254 - 285 1.9 – 5.8 0.6 – 6.5 Insoluble

Combustóleo 0.83-0.86 66 250 - 270 636 – 1166 1.3 – 6.0 Insoluble

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SÓLIDOS

Los combustibles sólidos pueden ser naturales o artificiales (derivados de los naturales). Entre los combustibles sólidos naturales se encuentran: el carbón y la madera, mientras que de los artificiales, el más común es el coque de petróleo.

Carbón: Es un combustible sólido, de color negro o marrón, que contiene esencialmente carbono y pequeñas cantidades de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y otros elementos. Proviene de la degradación de organismos vegetales durante un largo periodo. La tabla 4 presenta la clasificación general de los carbones. El tipo de carbón bituminoso se usa principalmente para la generación de vapor en la producción de electricidad y calefacción.

Coque de petróleo: Es un combustible sólido y poroso, de color que va del gris hasta negro, aproximadamente con 92% de carbono y 8% de ceniza, que se obtiene como residuo en la refinación del petróleo. El coque producido en las refinerías es conocido como coque sin calcinar o coque verde, ya que aún contiene residuos de elementos volátiles. Se usa como combustible sólido para calderas.

Bagazo de Caña: Son las fibras que se obtienen después de extraer el jugo de la caña en los ingenios azucareros y se utiliza como energético o como materia prima.

Leña: Se considera la energía que se obtiene de los troncos, ramas de árboles y arbustos. Se utiliza en forma directa para la cocción de alimentos, calefacción y en la fabricación de ladrillos.

Madera: Los diferentes tipos de madera se utilizan como combustibles, las características de combustión de madera son el contenido de humedad y la forma física de la madera.

Tabla 4. Clasificación general de los carbonesTipo de carbón Poder calorífico BTUBituminoso 12,800 – 15,600

Súper-bituminoso 15,360 – 15,480

Sub-bituminoso 9,720

Antracita 14,400 - 14880

Lignito 7,400

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3. COMBUSTIÓN

La combustión se refiere a la oxidación rápida del combustible acompañada del desprendimiento de energía en forma de calor y luz. La combustión completa de un combustible es posible solamente en presencia de un suministro adecuado de oxígeno. (Anexo 3).

Por ejemplo, cuando se quema un combustible, el contenido en éste se combina con el oxígeno del aire para producir bióxido de carbono, vapor de agua, óxidos de nitrógeno, y bajo ciertas condiciones el carbón también se puede combinar con el oxígeno para formar monóxido de carbono y calor. Si el combustible contiene azufre se obtendrá bióxido de azufre (SO2).

combustibleCH4

aire2O2 2 H2OCO2

Productoscalor

+ + +

En donde:

CH4= Gas natural

O2= Oxigeno

CO2= Dióxido de carbono

H2O= Vapor de agua

Aire Combustible Gases

O2

N2

H2O

CHONSW

CO2

COO2

N2

SOX

NOX

Vapor de agua

Figura 2. Esquema básico de combustión.

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El objetivo de una buena combustión es liberar todo el calor del combustible. Esto se logra por el control de las tres T de combustión:

1. Temperatura lo suficientemente alta para la ignición de los elementos inflamables.

2. Turbulencia que permita mezcla entre el oxígeno - combustible.

3. Tiempo suficiente para completar la combustión.

Una variable en este proceso es la eficiencia de la combustión, se define como la correcta atomización del combustible en finas gotas y permite la mezcla con el aire y facilita la reacción del carbono e hidrógeno del combustible con el oxígeno del aire, produciendo así un mínimo de combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemado, y esto se conoce como hidrocarburos no quemados.

Los hidrocarburos no quemados se dividen en:

• Sólidos:Están formadosporpartículasdecarbono(hollín)ehidrocarburosfraccionados. La formación de éstos puede ser por el mal funcionamiento del quemador o cuando el aire de combustión es insuficiente.

• Gaseosos:Estánformadospormonóxidodecarbono(CO)ehidrocarburosligeros. La formación de éstos puede ser por insuficiente aire de combustión, mal funcionamiento del quemador o el quemador inadecuado.

Cuando se utilizan combustibles gaseosos (gas natural o gas LP), y se presenta una combustión incompleta se producen altas concentraciones de monóxido de carbono (CO) y otros hidrocarburos, siendo el CO un indicador de una mala combustión.

Otra variable a verificar es el color de la flama, a través de la mirilla de la caldera se observará la flama y su color dependerá del combustible con el que se trabaje y de la temperatura alcanzada (riqueza de oxigeno).

Tabla 5. Color de la flamaColor de la Flama Combustible IndicadorAzul Gaseoso Combustión correcta

Amarillo intenso y luminoso Liquido (Queroseno) Combustión correcta

Amarillo intenso Liquido (Diesel) Combustión correcta

Anaranjado o roja Líquidos Combustión no completa

Combustión

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Figura 3. Flama de combustible liquido.

EXCESO DE AIRE:

El exceso de aire (EA) es una variable muy importante para la operación de un sistema de combustión y se define como la cantidad adicional de aire que se suministra al quemador, respecto al aire estequiométrico para garantizar la combustión mas completa posible. El exceso de aire puede calcularse a partir del porcentaje de O2 en los gases de chimenea. En la tabla 6 se presentan valores de exceso de aire recomendados para algunos tipos de combustión.

Tabla 6. Niveles de exceso de aire recomendadoTipo de combustión Exceso de Aire % Oxigeno %Disparo de combustible (gas, aceites y carbón pulverizado) 5 -15 1 - 3

Tipo ciclón (carbón aplastado) 10 – 15 2 - 3

hornos de parrilla y fogoneros con parrilla (carbón, madera y residuos sólidos)

30 – 75 5 - 9

Lecho fluidizado 5 – 150 1 -13

Turbinas de gas 250 - 500 15

Motores alternativos >5 >1

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En la figura 4 se muestra la relación entre exceso de aire y emisiones. Sí el exceso de aire es muy bajo se produce una combustión incompleta (alta presencia de CO y humos), con un EA ligeramente mayor a la zona estequiométrica, el CO y los humos serán mínimos. Sí el exceso de aire es muy alto, se gasta parte del combustible para calentar el aire excedente, habiendo ineficiencia en la caldera.

Los óxidos de nitrógeno (NOX) por lo general disminuyen linealmente con la disminución del exceso de aire.

QUEMADORES

Es un dispositivo mecánico importante en la caldera, y su función es realizar la mezcla del combustible con el aire para conseguir su combustión y la liberación del calor necesario para la generación de vapor. El diseño del quemador dependerá del tipo de combustible a usar, y el tratamiento para los combustibles es diferente con el objetivo de conseguir una eficiente combustión. Los quemadores se clasifican en:

Quemadores para combustibles gaseosos: Necesitan una caña de gas y su función es dirigir la corriente de gas dentro de la corriente de aire, para que se efectúe una buena mezcla de aire/gas.

• Conpremezcladegas

• Conmezclaenboquilla

• Atmosféricos

Figura 4. Emisiones de NOx y CO y exceso de aire.

Exceso de Aire

Emis

ione

s

CO y Humos

Rango d e mejoroperación

NO X

Figura 5. Quemador de combustible gaseoso.

Combustión

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Quemadores para combustibles líquidos: Se caracterizan por tener un atomizador que rompe en pequeñas gotas el combustible. Existen el atomizador de chorro a presión donde el combustible se atomiza a consecuencia únicamente de la presión alta a la que es expulsado por la boquilla; el atomizador de retorno lateral donde el combustible es fragmentado en gotas pequeñas por fuerza centrífuga y el atomizador de dos fluidos donde el combustible se atomiza por un segundo fluido que puede ser vapor o aire a presión alta para romper el combustible en gotitas.

• Dealtapresióndeatomización

• Debajapresióndeatomización

Quemadores para combustibles sólidos:

• Deparrillafija

• Deparrillamóvil

• Delechofluidizado

• Conpregasificación

GASES DE COMBUSTIÓN

Los productos de la combustión son el CO2, H2O, CO, NOX, SO2, CH4, N2O, hollín, y exceso de aire (O2 y N2), son emitidos directamente por la chimenea de las calderas. El gas de efecto invernadero (GEI)1 más importante en este proceso es el CO2, ya que el CH4 y el N2O, no son tan significativos en las emisiones.

Bióxido de Carbono (CO2): Es un gas más pesado que el aire, incoloro e inodoro; la cantidad de emisiones de CO2 en las calderas depende de la cantidad y tipo de combustible y del grado en que se completa el proceso de combustión.

Figura 6. Quemador de combustible sólido.

1 El protocolo de Kioto se aplica a las emisiones de seis gases de efecto invernadero: Bióxido de carbono (CO2), Metano (CH4), Óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), hexafluoruro de azufre (SF6) y perfluorocarbonos (PFC).

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Monóxido de Carbono (CO): Es un gas inodoro, incoloro, es venenoso al respirar y es el producto de una combustión incompleta.

Óxidos de Nitrógeno (NOX): En el proceso de combustión y altas temperaturas se forma el monóxido de nitrógeno (NO), después este gas incoloro reacciona con oxígeno para formar dióxido de nitrógeno (NO2) y es soluble en agua y tóxico si se respira. Estas emisiones se generan en los procesos de combustión con temperaturas por encima de 526.85°C y por debajo de 926.85°C.

Dióxidodeazufre (SO2): Es un gas tóxico presente en los productos de la combustión de combustibles que contienen azufre.

Metano (CH4): Estas emisiones se producen en pequeñas cantidades en un proceso de combustión incompleta y dependen de la temperatura de combustión.

Hollín: Al quemar combustibles sólidos y líquidos siempre aparecen partículas sólidas originadas por la ceniza del combustible y por partículas de carbono que han abandonado la cámara de combustión sin quemarse totalmente.

Temperatura ambiente: La temperatura ambiente se mide en la entrada de la caldera. Las calderas que no dependen del aire ambiente, la temperatura se mide en el punto adecuado del conducto de suministro.

Temperatura de gases de combustión: Se mide en el lugar más caliente de la corriente de los gases. Los valores recomendables son mayores a 90ºC y menores a 140ºC.

Temperatura del punto de rocío: Es la temperatura a la que el vapor de agua contenido en el gas cambia al estado líquido. Este cambio se denomina condensación y el líquido formado es el condensado. Por debajo de la temperatura del punto de rocío la humedad está presente como líquido y por encima del punto de rocío como gas.

ANALIZADORES DE GASES

La forma práctica de conocer y controlar una combustión es a través de un analizador de gases. Estos equipos cuentan con un conducto de aspiración para la toma de una muestra de gases en la chimenea, una sonda termopar para la toma de la temperatura de la muestra de gases, los analizadores electrónicos con sensores electroquímicos donde se obtienen las concentraciones de los gases y un programa de cálculo en su memoria, que en función del análisis de los gases, la temperatura de los mismos y de la temperatura ambiente se obtiene el rendimiento de la combustión. Toda vez que los resultados son inmediatos una vez seleccionado el combustible que alimenta al equipo.

Combustión

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Figura 7. Analizador de gases / Eca 450 bacharach.

La pantalla e impresora que vienen en estos equipos dará los siguientes resultados:

• CO2: % en volumen

• O2: % en volumen

• CO:partespormillón,ppm.(p.ej.3,000ppm=0.3%)

• Excesodeaire:%

• Eficienciadelacombustión:%

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Pasos a seguir para la toma de muestras:

• Poner la caldera a régimen en la posición de máxima potencia y hacerlafuncionar en continuo un mínimo de 5 minutos.

• Evitarvariacionesdelquemador.

• Seleccionarunpuntoadecuadoparaelorificio(centrado)eintroducirlasondahasta el punto central de la sección de la chimenea (conducto de humos).

Escala de opacidad: Para determinar hidrocarburos no quemados sólidos en una combustión se utiliza la escala de opacidad (escala de Bacharach), se basa en el ennegrecimiento de filtros al paso de la corriente de los gases de combustión y se compara con la escala de Bacharach y se determina el número de opacidad, donde el número 0 corresponde al color blanco hasta el número 9 equivale al color negro. El valor final del número de opacidad se determina calculando el valor promedio de las tres mediciones.

Figura 8. Escala de bacharach.

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4. CALDERAS

Una caldera es un recipiente cerrado a presión, construida de acero, en el interior contiene agua y fuego en el exterior. Donde el fuego calienta el agua hasta que hierve, y éste cambia de estado, generando vapor. El vapor se conduce a través de tuberías para ser utilizado en los procesos industriales y de servicios.

Chimenea

Intercambiador Agua

Quemador Llama (Radiación)

Humos (Convec.)

Salida Agua

Entrada Agua

Aire

Combustible

Hogar

Figura 9. Partes de una caldera.

Las principales partes de una caldera son:

• Ventiladordeaireprimario:Suministralacantidaddeairerequeridoparalacombustión.

• Quemador:Equipodondeserealizalacombustión.

• Hogarotubodecombustión:Lugardondesepresentalareacciónquímicadelcombustible y el oxígeno.

• Tubería: Enestoselementos sepresentael intercambiode calorentre losgases de combustión y el agua.

• Chimenea:Conductopordondeseliberanalaatmósferalosgases

• Bombadeagua:Elevalapresiónparapermitirelingresodelaguaalacaldera,puede ser comandada por un sistema de control de nivel.

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GuíadeBuenasPrácticasdeOperaciónparaEquiposdeCombustióndeCalentamientoIndirecto

CLASIFICACIÓN DE CALDERAS

Las calderas se pueden clasifican por el tipo de combustible, configuración, mecanismo de transmisión de calor dominante, por la presión con la que operan, por el tiro, la presión del hogar, modo de gobernar la operación y el principio de diseño. (Anexo 5).

La clasificación por principio de diseño se divide en dos categorías:

1. CalderasPirotubulares(tubosdehumo/humotubulares)

2. CalderasAcuotubulares(tubosdeagua)

Calderas Pirotubulares (tubos de humo/humotubulares)

En este tipo de calderas la llama se forma en el hogar, los gases de combustión pasan por el interior de tubos y son conducidos a la chimenea. El hogar y los tubos se encuentran sumergidos en el agua que se va evaporando formando vapor.Puedenserdeunoacuatropasos;elmayornúmerodepasosindicaunmayor aprovechamiento de la energía calórica de los gases de combustión y manejanpresionesdeoperaciónde0–300librasporpulgadacuadrada(PSI).

Figura 10. Caldera pirotubulares.

Vapor Caldera Gases Calientes

Combustión Chimenea

Calderas

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Este tipo de calderas son las que preferentemente se utilizan en las pequeñas y medianas empresas, ya que en muchos casos no requieren que el agua a evaporar tenga un tratamiento especial.

Ventaja Desventajas• Sonpequeñasyeficientes.• Sondebajocostodebidoalasimplificacióndesudiseño. • Menortiempoparaserpuestasenmarca.• Mayorflexibilidaddeoperación.• Serequieremenostratamientosdelaguaparala

caldera.• Menoresexigenciasdepurezaenelaguade

alimentación.

• Requierendemayortiempopara subir la presión y entrar en funcionamiento.

• Nosonutilizablesparaaltaspresiones.

Calderas Acuotubulares (tubos de agua)

En este tipo de calderas la llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuranlacámaradecombustión,pordentrodelostuboscirculaelaguaquesevaevaporandoformandovapor.Porfueralostubosdeaguaestánsometidosal calentamiento por parte del calor de los humos productos de la combustión. Elhogarestáconformadoporparedesdetubosdeaguaymanejapresionesdeoperaciónde0–2200PSI.

Este tipo de calderas son utilizadas para generar niveles elevados de vapor y altas presiones a su salida.

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Figura 11. Caldera acuotubulares.

Combustión Tubos de agua Vapor

Gases Calientes

Chimenea

Agua

Ventajas Desventajas• Soportamayorespresionesenel

agua.• Trabajaagrandespresionesy

generación de vapor amplia.• Trabajana300PSIomás.

• Mayortamañoypeso.• Incrementoencostos.• Requieredeuntratamientoadecuadodeagua

para la caldera.• Debeseralimentadaconaguadegranpureza.• Tieneproblemasdesuciedadenelladodelagua.

INSTRUMENTACIÓN PARA CALDERAS

Lascalderasestánprovistasdemanómetrosdepresióndevaporeindicadoresde nivel de agua. En algunos casos cuentan con termómetros para medir temperatura de gases de chimenea, combustible y agua de alimentación, manómetros de presión de combustible, aire ó vapor de atomización, medidores de flujo de combustible y caudal de vapor.

Calderas

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Figura 12. Instrumentación para calderas.

Tratamientoypreparacióndelaguadealimentaciónaunacaldera

El agua que genera el vapor en la caldera debe estar libre de elementos disueltos o en suspensión, debido a que se pueden depositar en los tubos o en la carcaza de la caldera, disminuyendo la capacidad de transferencia de calor de los gases de combustión.

Purga

La purga de caldera es realizada a fin de evitar la concentración excesiva de sólidos disueltos o en suspensión en el agua dentro de la caldera. Para talefecto es necesario extraer una porción del agua (purga) en forma periódica o continua (dependiendo del tamaño de caldera) a fin de renovarla con agua blanda fresca de menor contenido de sólidos disueltos o en suspensión. De esta manera se evita problemas de incrustaciones y arrastres.

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EFICIENCIA ENERGÉTICA TÉRMICA DE UNA CALDERA

La eficiencia energética térmica de una caldera se define como el porcentaje deentradadecalorqueseutilizaparaproducirvapor.Haydosmétodosparacalcular la eficiencia de la caldera.

1.Métododirecto:Cuandosecomparalagananciadeenergíadelfluidoconelque se trabaja (agua y vapor) contra la energía contenida del combustible quealimentalacaldera.Seutilizalasiguienteexpresión:

V×(H - HW )

F ×PCIE=

Donde:

V =Flujo de vapor,Kg/h

H =Entalpía del vapor,KJ/kg

HW =Entalpía del agua alimentación KJ/Kg

F =Consumo de combustible,Kg/h

PCI =Poder Calorífico inferior del combustible,KJ/Kg

2.Método Indirecto:Determina la eficienciaenergética instantáneadonde laeficienciaesladiferenciaentrelasperdidasyenergíadeentrada.Seempleala siguiente expresión:

E=100 - (Pg+ Pi+ Pr+ Pp )

Donde:

Pg =Pérdida de calor por gases de chimenea(%)

Pi =Pérdida de calor por hidrocarburos no quemados(%)

Pr =Pérdida de calor por radiación y convección(%)

Pp =Pérdida de calor por purgas(%)

Parahallarlapérdidadecalorporgasesdechimeneaesnecesarioanalizarelcontenido de oxígeno y la temperatura de gases evacuados por chimenea.

Calderas

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Para hallar las pérdidas por hidrocarburos no quemados es necesarioanalizar el contenido deCO (hidrocarburos no quemados gaseosos) ymedirla concentración de partículas en los gases de chimenea (hidrocarburos no quemados sólidos).

Parahallar laspérdidaspor radiaciónyconvección, sielaislamientoestáenbuenascondicionesylatemperaturadelasuperficieexterioresmenorde60°C,seutilizalasiguientefórmulapráctica:

PR=1,13 x P 0,7

Q

Donde:

Pr= Pérdida de calor por radiación y convección (%)

P= Potencia de la caldera, MW

Q= Generación instantánea de vapor, MW

Paraladeterminacióndelapérdidaporpurgas,seestimaqueéstaesdel1%en virtud de que no es posible hallar con mediciones precisas dicha pérdida.

CALENTADOR DE ACEITE TÉRMICO

Esuncircuitocerradoqueestáintegradoporuncalentadordeaceitetérmico,bombarecirculadora,válvulasyuntanquedeexpansiónparaaceitetérmico.El calentador de aceite térmico consiste en un cilindro de acero y aislado térmicamente, enel interior están los tubos concéntricos (serpentín) dondecircula el aceite, el diseño puede ser horizontal o vertical y el tipo de combustible dependerádelasespecificacionesdelfabricante,comúnmenteseutilizadieselofueloil.Elrangodetemperaturasoscilaentrelos200hasta400°C.

Elaceiteactúacomofluidode intercambio,calentándosepormediode losgases de combustión en un sector del calentador y luego una vez caliente pasa por tubos al fluido que debe calentar y entrega el calor.

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1. Serpentín interior

2. Tapa serpentines

3. Tapa cámara de combustión

4. Envolvente interior

5. Envolvente exterior

6. Bridas de conexionado

7. Base cámara de combustión

8. Aislamiento de la base

9. Fibra cerámica

10. Aislamiento

11. Perfiles UPN

12. Tapa de la caldera

13. Serpentín exterior

14. Cierre cámara de combustión

Figura 13. Esquema de un calentador de aceite térmico.

1

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14

• Losaceitestérmicostienenunavidaútilde3a5añosaproximadamente.

• Cuando comienza la degradación del aceite térmico pierden propiedadesoriginales y una posible carbonización o incrustación dentro del equipo.

• Losaceitestérmicosnosoncompatiblesentresí,porlotantonosedebenmezclar.

Calderas

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Aspectos a tener en cuenta cuando se debe operar una caldera

• Podercaloríficodelcombustible

• Cantidadycalidaddelcombustible

• Sistemadealimentacióndelcombustible

• Cantidaddeairealimentado

• Mezcladelcombustibleyelcomburente

• Controldelacombustión

• Temperaturadeignicióndelamezcla

• Tipodequemador

• Instrumentación

• Calidaddelaguadealimentacióndelacaldera

• Tratamientodelaguadelacaldera

• Líneasdeconduccióndelvapor

• Temperaturadelosgasesdechimenea

Evaluando en cada caso los aspectos mencionados anteriormente y consultando con los manuales operativos de la caldera se pueden encontrar oportunidades de mejoramiento que minimicen o prevengan la contaminación generada por la caldera o mejoren su eficiencia y aprovechamiento del combustible.

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5. BUENAS PRÁCTICAS

Las buenas prácticas de combustión en calderas se desarrollan en al menos tres rubros:

• Enlaoperaciónmismadelequipo.

• Enelmantenimientopreventivodelequipoy

• En el registro de las variables y eventos relevantes de operación ymantenimiento,quepermitenvigilareldesempeñoyconservacióndelequipo.

El responsable del equipo definirá qué acciones son “buenas prácticas deoperación”paracadaequipoenparticular,teniendoencuentaquelasmejoresprácticassonlasquesedefinendemanerainformadayenbaseahechos,datosrealesoresultadosyalconocimientodelequipo,suspartesysufuncionamiento.

Lasfuentesmásrecomendablesparaestarmejorinformadosseencuentrano se basan en:

• Losmanualesdeoperaciónymantenimientodelequipoenparticular.

• Laexperienciaadquiridadurantelaoperacióndelmismo.

• Lacapacitaciónyentrenamientodelosoperadoresdelosequipos.

• Lospropiosregistroshistóricosdelequipo.

• Losespecialistasenequipodecombustiónsemejantealutilizado.

PRÁCTICAS OPERATIVAS

Dentrodeotrasprácticasoperativasquehacende lacombustiónunprocesomáseficienteserecomiendanampliamentelossiguienteschequeos:

• Monitoreoyregistrodelatemperaturadelosgasesalasalidadelacaldera.

• Observaciónperiódicadeldesfoguedelachimeneaparadetectarlapresenciadehumosnegrosdurantelosarranquesydurantelaoperaciónnormal.

• Vigilaryevaluarperiódicamentelacoloracióndelallama.

30


• RealizarmedicionesperiódicasdeO2yCO2.

• Limpiarlassuperficiesdeintercambiodecalorperiódicamente.

• Realizardeshollinamientoperiódicoalossistemasdecombustión.

• Revisarlossistemasdecontroltalescomotermómetrosymanómetros,yaquesudescalibraciónpuedellegaraafectarostensiblementeeldesarrollodelproceso.

• Nopermitirconcentracionesdemonóxidodecarbonosuperioresa400ppmenlosgasesdeescape.

• Atomizarloslíquidosalapresiónrecomendaday/omediantelautilizacióndefluidos,conelfindeacercarelprocesoalacombustióncompleta.

• Regular el tiro de la chimenea, mediante la utilización de un damper. Esimportante anotar que excesos de aire en la chimenea pueden causar elarrastredematerialparticuladoysuposterioremisiónalaatmósfera.

• Drenar periódicamenteel aguaquepuedaalmacenarse en los tanquesdealmacenamientodecombustible.

• Manejar registros generales del proceso de combustión, en los que seincluyan,entreotrosparámetros,presión,temperaturadeaireyconsumodecombustible.

• Sielsistemadecombustiónlopermite,realizarelcalentamientoyalimentaciónencontracorriente.

ANÁLISIS DE GASES

Parapoder carburar el quemadordeuna caldera, necesitamos comomínimoconocer:

• ElporcentajedeO2oCO2delosgasesdecombustión.

• Elnúmerodemanchadehollín.

Paraestoserequieredeunanalizadordegasesdecombustión.

El porcentaje de CO2 y O2 puedemedirse con un analizador de botella, oun analizador electroquímico en forma confiable y económica. La operaciónespecíficadecadaequipovieneensumanual correspondiente. Elnúmerodemanchaconprobadordehumoscomolosquesemuestranenlafigura.

Buenas Prácticas

31

Figura 14. Analizador de gases.

Los porcentajes deO2, CO2 y E.A para cada combustible específico, estánrelacionadoscomoseindicaenlassiguientesgráficasdecombustión.

Adicionalmenteconayudadelasmedicionesdetemperaturadelosgasesdecombustiónalasalidadelacaldera,ylatemperaturadelaire,podemoscalcularuobtenerlaeficienciaatravésdelacaldera,yaquepormediodelamedicióndetemperaturade lachimenea,enrelaciónaundeterminadoexcesodeairepodemosconocerlaspérdidasdecalordelachimenea.

En lasiguientetablanospresentanlosrangosóptimosdeoperacióndelascalderascomercialesdetubosdehumoparaloscombustiblescomerciales.

Tabla 7. Rangos óptimos de operación de las calderasCombustible Diesel Combustóleo Gas natural GasL.P.Valor calorífico 9250 Kcal/l 9900 Kcal/l 8530 Kcal/m³ 6350 Kcal/l

Rangos CO2 % 12 13 12 13 10 10.5 11 11.5

Rangos O2 % 4.45 3.1 5.1 3.7 3.3 2.4 2.7 3.0

Rangos exceso aire

n 1.25 1.165 1.30 1.20 1.18 1.12 1.22 1.17

Deestaforma,comoejemplo,podemosdecirquesitenemosunacalderaquequemacombustibledieselde10,000Kcal/Kgconunadensidadde0.85Kg/dm³a15°CymedimosunvalordeCO2de12.5%tendremosunvalordeO2de3.8%

32


yporlotantonuestroquemadorestaráoperandoconunexcesodeaireóptimode 20.7%, y estará operando en su carburación óptima. Haciendo medicionessemanalesdeCO2,detectaremoscualquiertipodefallasenelquemadorenrelaciónalacombustiónyporlotantoenrelaciónalaeficienciadelacaldera.

En las figuras 15 a 18 se muestran las curvas de combustión de loscombustiblescomerciales.

Bws1: Humedad considerando atomización con aireBws2: Humedad considerando atomización con vaporValores confiables sólo cuando la concentración de CO es menor a 2% en volumen

% en volumen

Exceso de aire

Figura 15. Combustóleo pesado – exceso de aire vs % de CO2 y BWS en equipos de combustión.

2019181716151413121110

9876543210

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

O2 CO2

Bws1 Bws2

Buenas Prácticas

33

Valores confiables sólo cuando la concentración de CO es menor a 2% en volumen.

% en volumen

Exceso de aire

2019181716151413121110

9876543210

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

O2 CO2 Bws

Figura 16. Diesel – exceso de aire vs % de CO2 y BWS en equipos de combustión.


% en volumen

Exceso de aire

2019181716151413121110

9876543210

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Figura 17. Gas L.P. – exceso de aire vs % de CO2 y BWS en equipos de combustión.

O2 CO2 Bws

34



% en volumen

Exceso de aire

2019181716151413121110

9876543210

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

O2 CO2 Bws

Figura 18. Gas natural – exceso de aire vs % de CO2 y BWS en equipos de combustión.

EntodosloscasosdebeprocuraseoperarconlosvaloresmínimosdeEAperosinquesepresentenhumosnegrosniconcentracionesanormalesdeCO.Sisedetectanvaloresaltosdelíndicedehollínyconcentracionesmayoresa400ppmdeCO,algunasfallasposiblespuedenser:

• Malacarburacióndelaunidaddecombustión.

• Faltadeexcesodeaire.

• Faltadetiro.

• Excesodecombustible.

• Fallasenlaatomización.

• Boquillastapadas(lasboquillasdeatomizaciónmecánicadebencambiarse,cada3meses).

• Faltadepresiónencombustible.

• Faltadefiltrodecombustible,ofiltrosucio.

• Unidaddecombustiónmaldiseñada.

• Hogardecalderamaldiseñado.

Buenas Prácticas

35

Una combustión incompleta, además de ser un factor de contaminaciónambiental, nospresentadepósitosdehollín en la caldera, los cualesbajan laeficienciadelassuperficiesdetransferenciadecalordelacaldera.Elhollínesunaislanteexcelente,porlocualunapequeñacapadehollín,setraduceenunasignificativabajadeeficienciaycomoresultadounmayorgastodecombustible.

Adicionalmente una producción de hollín por combustión incompleta, traeconsigocostososparosylimpiezasdefluxes.

Elcomparadordehumodebeestarpresenteentodosloscuartosdecalderas,ysedebeusarporlomenoscadasemana.

REGISTROS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Losregistrossonlaevidenciaobjetiva,paramostrarlaformaenqueseoperaysemantieneelequipodecombustión.Los registrospodrán llevarseenunabitácoraenformatoimpresooelectrónico.

Losregistrosrelativosa laoperaciónpodránllevarseporseparadoa losdemantenimiento, en cuyo caso deberán hacer referencia estos últimos a losprimeros.

Los registros deben contener los eventos relevantes de la operación quepuedancausarohayancausadolaemisiónvisibleoexcesivadecontaminantesa la atmósfera, así como las reparacionesy cambios relevantes realizadosalequipo,laspartesdelsistemadecombustiónysuscontroles.

Lasanotacionesenlosregistrosdebenhacersedirectamenteporeloperadoroelpersonaldemantenimientoyenamboscasos,debenseravaladosporelresponsabledelequipodecombustión.

Elregistroenusodebeestardisponibleenellugardetrabajodeloperador;losregistrosanterioresohistóricosdebenconservarsedebidamenteresguardados.LosregistrosrequeridosenlaNormaOficialMexicanaNOM-085-SEMARNAT-2011,debenestardisponiblesparasurevisiónporlaautoridadambiental.

Los registros deben contener la siguiente información general en la carátula o primera hoja:

a. Nombrey/oclavedelequipodecombustión.

b. Marcadelequipo.

c. Capacidadnominaldelequipo.

36


Los registros también podrán contener la siguiente información:

a. Razónsocial.

b. Modeloyfechadefabricación.

c. Fechadeiniciodeoperacióndelequipo.

d. Tecnologíadecombustión(estándarodebajoNOX).

e. Combustiblequeutilizanormalmenteoquepuedeutilizar.

f. Porcentajedecargaaqueoperanormalmenteelequipo.

g. Formadeajustedelarelaciónaire-combustible(manualoautomática).

h. Régimendeoperación:diario,semanal,continúa.

i. Referenciarotrosregistrosrelacionados,encasodellevarlosporseparado,porejemplo:

i.1 Mantenimiento(registrodelhistorialdelequipoysuspartes).

i.2 Algunasvariablesdeoperaciónrelacionadaconelsistemadecombustiónyemisiones(gráficosotablasgeneradasporelsistemademedición).

i.3 Calibraciónymantenimientodelequipodemedicióndecontaminantes.

Encasodequenosecuentecon laespecificaciónde lacapacidadtérmicanominal del equipo de combustión, ésta se puede determinarmediante unaprueba específica o se puede considerar que es equivalente al consumoenergéticomáximoregistradoenlosúltimos24mesesoperandoalamáximacapacidaddentrodeloslímitesdeseguridaddelequipoodelprocesoalqueestávinculado.

Los registros de la información diaria deben tener los siguientes datos:

a. Fecha:

b. Turno:

c. Consumoytipodecombustible:

d. Porcentajedecapacidaddediseñoalaqueoperóelequipo:

Buenas Prácticas

37

e. Temperaturapromediodelosgasesdechimenea:

f. Nombredeloperadorysusobservaciones:

Los registros de la información diaria también pueden tener:

a. Análisisdegasesdecombustiónconpropósitosdecontrolinterno(CO2,CO,O2,manchadehollín).

b. Análisisde contaminantes conpropósitosdeverificación, segúnaplique (#demancha,NOX,Partículas,SO2).

c. Paraelcasodecombustóleoligeroopesado:

c.1 El contenido de azufre y nitrógeno (indicado en los certificados decalidaddelcombustible).

c.2 Mantenimientooajustesrelevantesenelsistemadecalentamientodelcombustible.

c.3 Temperaturadelcombustible.

d. Reparaciones al sistema de combustión o sus partes, limpieza o ajustesrelevantes.

e. Losparosquesepresentenindicandohoraycausa.

f. Losarranquesindicandohoraytiempoenquellegóaoperaciónnormal.

g. Fechadecarburación,afinaciónopuestaapuntodelsistemadecombustión,

h. Incluyendolosdatosdeoperaciónpreviosyposterioresatalactividad.

i. Hora y tiempo de soplado (solo en calderas o generadores de vaporacuatubulares).

j. PresióndeVapor.

k. Producciónoflujodevapor.

39

ANEXO 1. FACTORES DE CONVERSIÓN

Tabla de abreviaturasAbreviatura Significado Abreviatura Significadoatm atmósfera in Hg pulgadas de mercurio

BTU unidad de energía inglesa in³/lb pulgadas cúbicas por libra

BTU/ft³ BTU por pie cúbico kcal kilocaloría

BTU/lb BTU por libra kcal/kg kilocaloría por kilogramo

°C grado Celsius (centígrado)

kg kilogramo

cal caloría kg/cm² kilogramo por centímetro cuadrado

cm centímetro kg/m³ kilogramo por metro cúbico

cm² centímetro cuadrado l litros

cm³ centímetro cúbico l/kg litros por kilogramo

cm³/g centímetros cúbicos por gramo

lb libras

cv caballo de vapor (métrico)

lb/in² libras por pulgada cuadrada

°F grado fahrenheit m metros

ft pies (feet) ml mililitro

ft³ pies cúbicos mm milímetros

ft³/lb pies cúbicos por libra mm Hg milímetros de mercurio

g gramo psi libras por pulgada cuadrada

gal galón psia libras por pulg² absoluta

HP Caballos potencia psig libras por pulg² manométrica

in pulgada s segundo

in² pulgada cuadrada Torr Torricelli mm Hg

in³ pulgada cúbica

Tabla para conversión de temperaturas°F= 1.8 °C + 32

°C= (°F - 32)/1 .8

K= °C + 273.15

R= °F + 459.69

K= 5⁄9 R

R= 1.8 K

40


Factores de conversión de unidades de presión

kiloPascales(kPa)

x 0.010197 = kg/cm²

mm Hg(Torr)

x 0.13333 = kPa

x 0.14504 = lb/in² (psia) x 0.00136 = kg/cm²

x 7.5 = mm Hg x 0.01934 = lb/in² (psi)

x 0.2953 = in Hg x 0.03937 = in Hg

x 0.01 = bar x 0.001333 = bar

x 0.00987 = atmósferas x 0.00136 = atm

kg/cm²

x 98.064 = kPa

in Hg(pulg. Hg)

x 3.3864 = kPa

x 14.2234 = lb/in² (psi) x 0.03453 = kg/cm²

x 735.514 = mm Hg x 0.49115 = lb/in² (psi)

x 28.9572 = in Hg x 25.4 = mm Hg

x 0.987 = bar x 0.03386 = bar

x 0.96778 = atmósferas x 0.03342 = atm

lb/in²(psia)

x 6.89474 = kPa

atmósfera (atm)

x 101.325 = kPa

x 0.07031 = kg/cm² x 1.03329 = kg/cm²

x 51.715 = mm Hg x 14.6969 = lb/in²

x 2.036 = in Hg x 760 = mm Hg

x 0.06895 = bar x 29.9212 = in Hg

x 0.0604 = atm x 1.01325 = bar

0 psig=14.696 psia

1 psig=15.696 psia

= 101.325 kPa =108.22 kPa

Factores de conversión de unidades de volumen

metrocúbico(m³)

x 1.30795 = yd³ galónlíquido(gal)

x 3.78543 = litros

x 35.31447 = ft³ x 0.13368 = ft³

x 264.1728 = gal x 231 = in³

piescúbicos(ft³)

x 0.028317 = m³

Litros(l)

x 1,000 = cm³

x 1,728 = in³ x 1,000 = ml

x 7.48055 = gal x 61.0234 = in³

x 6.230 = gal x 0.26418 = gal

x 0.035314 = ft³

Anexo I

41

Volumen Específico (Masa Volumétrica)

Pies cúbicos/lb(ft³/lb)

X 1,728 = in³/lb

Metroscúbicos/kg(m³/kg)

X 16.018647 = ft³/lb

X 62.427 = l/kg X 119.842 = gal/lb

X 62.427 = cm³/g X 2,768 = in³/lb

X 0.062427 = m³/kg X 1,000 = l/kg

X 7.48055 = gal/lb X 1,000 = cm³/g

Pulgadacúbicos/lb(in³/lb)

÷ 1,728 = ft³/lb Centímetroscúbicos/g(cm³/g)

X 0.001 = m³/kg

X 0.03613 = l/kg X 1.0 = l/kg

X 0.03613 = cm³/g X 27.68 = in³/lb

÷ 27,700 = m³/kg X 0.0160186 = ft³/lb

÷ 231 = gal/lb X 0.11983 = gal/lb

gal/lb

X 8.3454 = l/kg

X 0.13369 = ft³/lb

X 0.008345 = m³/kg

÷ 231.0 = in³/lb

Factores de conversión de unidades de densidades

lb/pie cúbico(lb/ft³)

X 16.018646 = kg/m³

kg/metro cúbico(kg/m³)

X 0.062427 = lb/ft³

X 0.0160186 = kg/l ÷ 27,700.8 = lb/in³

X 1,728 = lb/in³ X 1,000 = kg/l

X 0.13368 = lb/gal ÷ 119.826 = lb/gal

X 1.0 = g/l

libras/galón(lb/gal)

X 7.48052 = lb/ft³

Gramos/cm³(g/cm³)

X 1,000 = kg/m³

÷ 231.0 = lb/in³ X 0.03613 = lb/in³

X 0.119826 = kg/l X 62.4283 = lb/ft³

X 119.826 = kg/m³ X 1.0 = kg/l

Factores de conversión de unidades de trabajo, energía y calor

BTU (medio)

X 1.05587 kJ

Joules (J)

X 0.1019716 kgf·m

X 107.558 kgf·m X 0.73756 lbf·ft

X 0.252 kcal ÷ 4,184 kcal

X 778.1 lbf·ft ÷ 1,055.06 BTU

X 0.2931 W·h X10 ergs

÷ 2,544.7 hp·h ÷ 3,600 W·h

42


kilocalorías (kcal)

X 3.96832 BTU

kgf·m

X 9.80665 W·h

X 4.184 kJ X 7.233 lbf·ft

X 426.9 kgf·m X 0.002724 W·h

X 3,087.77 lbf·m X 0.002642 kcal

X 0.001559 hp·h X 0.009296 BTU

X 1.163 W·hlbf·ft

X 1.35573 J

X 0.13826 kgf·m

Factores de conversión de unidades de potencia

kiloWatt(kW)

x 859.8 = kcal/h

horse power(hp)

X 1.01387 = cv

X 3,412.14 = BTU/h X 745.65 = W

X 1.359 = cv X 550.0 = lbf·ft/s

X 1.341 = hp X 76.04 = kgf·m/s

X 101.97 = kgf·m/s X 2,544.66 = BTU/h

X 737.4 = lbf·ft/s X 641.232 = kcal/h

X 1,000 = W X 4.716 = T.R.

X 0.28435 = T.R.

Caballo devapor (cv)

X 0.7355 = kW

kgf·m/s

X 9.8066 = W

X 0.9863 = hp X 7.233 = lbf·ft/s

X 75.0 = kgf·m/s X 8.4312 = kcal/h

X 542.475 = lbf·ft/s X 33.48 = BTU/h

X 632.48 = kcal/h lbf·ft/s X 1.3558 = W

X 2,509.85 = BTU/h X 0.13826 = kgf·m/s

X 4.781 = T.R. X 1.1653 = kcal/h

X 4.626 = BTU/h

Factores de conversión de unidades de calor específico

kJ/kg KX 0.239 = kcal/kg °C

X 0.2388 = BTU/lb °F

kcal/kg °CX 4.184 = kJ/kg K

X 1.0 = BTU/lb °F

BTU/lb °FX 4.1868 = kJ/kg K

X 1.0 = kcal/kg °C

43

Pod

eres

ca

lorí

fico

s n

eto

s y

equ

iva

len

cia

s en

ergé

tica

sPo

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s ca

lorífi

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dade

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99

81

99

92

00

02

00

12

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22

00

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00

42

00

52

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62

00

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82

00

92

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(MJ/

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6,2

25

6,1

47

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82

6,3

81

6,3

91

Con

dens

ados

(MJ/

bl)

4,1

84

4,1

94

3,6

61

3,6

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3,6

85

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19

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19

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79

3,8

79

3,8

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4,9

68

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ural

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J/m

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41

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1,2

83

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33

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42

40

,38

9

Gas

nat

ural

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J/m

3)

38

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62

33

,03

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67

35

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43

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38

,04

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82

37

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,06

7

Car

bón

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Car

bón

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J/t)

18

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81

25

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84

25

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25

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84

25

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4

Car

bón

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Car

bón

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92

9,5

59

Gas

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(MJ/

bl)

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

4,7

81

Coq

ue d

e pe

tról

eo(M

J/t)

31

,73

23

1,6

72

31

,67

22

9,6

31

30

,67

53

0,6

75

30

,67

53

0,6

75

30

,67

53

1,4

24

31

,42

43

2,6

17

28

,93

3

Gas

licu

ado

(MJ/

bl)

3,9

96

3,7

34

3,7

34

3,7

34

3,7

34

3,8

12

3,8

12

3,7

65

3,7

65

4,1

77

4,2

51

4,2

48

4,2

56

Gas

olin

as y

naf

tas

(MJ/

bl)

5,2

64

5,1

26

5,1

26

5,0

51

5,0

51

4,8

58

5,3

31

4,8

72

4,8

72

5,0

25

5,5

42

5,1

82

5,0

97

Met

il-te

rbut

il-ét

er (

MT

BE)

(MJ/

bl)

5,1

85

5,1

85

5,1

85

5,1

85

5,0

76

3,9

31

5,4

58

4,7

58

4,7

58

4,6

11

5,1

49

4,4

73

4,4

27

Que

rose

nos

(MJ/

bl)

5,6

49

5,6

65

5,6

65

5,6

02

5,6

02

5,3

47

5,5

35

5,2

23

5,2

23

5,3

76

5,4

50

5,4

77

5,5

64

Die

sel

(MJ/

bl)

5,7

29

5,7

29

5,7

29

5,5

61

5,5

61

5,5

78

5,7

57

5,4

26

5,4

26

5,6

52

5,9

52

5,6

92

5,6

81

Com

bust

óleo

(MJ/

bl)

6,3

92

6,3

92

6,3

92

6,3

92

6,3

92

6,1

89

6,3

88

6,0

19

6,0

19

6,2

71

6,4

29

6,5

38

6,3

64

Asf

alto

s(M

J/bl

)6

,55

06

,53

96

,53

96

,53

96

,51

56

,45

26

,64

36

,64

26

,64

26

,62

46

,44

46

,69

16

,54

0

Lubr

ican

tes

(MJ/

bl)

6,0

29

6,0

29

6,0

29

6,0

29

6,8

00

5,9

29

6,0

29

6,1

82

6,2

11

6,1

82

5,9

70

5,9

70

5,9

57

Gas

sec

o4(k

J/m

3)

35

,02

13

3,4

27

33

,42

73

3,9

13

33

,91

33

3,9

13

33

,91

33

3,9

13

33

,91

33

3,9

13

33

,91

33

3,9

13

33

,91

3

Azu

fre

(MJ/

t)8

,87

88

,83

18

,83

18

,83

18

,75

08

,01

48

,83

18

,83

19

,00

79

,04

39

,26

99

,17

79

,21

4

Etan

o(M

J/bl

)2

,70

92

,70

92

,70

92

,70

92

,70

92

,70

92

,70

72

,85

12

,84

92

,85

42

,85

42

,85

02

,84

7

Mat

eria

prim

a pa

ra n

egro

de

hum

o(M

J/bl

)6

,62

96

,70

96

,70

97

,07

97

,07

96

,65

46

,65

96

,19

46

,19

46

,19

46

,19

46

,34

96

,40

4

Gas

sec

o de

exp

orta

ción

(kJ/

m3

)3

5,4

58

35

,22

83

5,4

24

33

,91

33

5,7

07

35

,70

73

5,7

07

35

,81

23

5,8

12

35

,81

23

5,8

12

35

,81

23

5,8

12

Gas

sec

o de

impo

rtac

ión

(kJ/

m3

)3

4,3

85

34

,37

63

4,4

78

33

,91

33

4,5

99

34

,44

83

4,4

75

34

,39

93

4,6

14

34

,61

43

4,6

14

34

,61

43

4,6

14

Coq

ue d

e ca

rbón

(MJ/

t)2

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

26

,52

12

6,5

21

Leña

(MJ/

t)1

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

14

,48

61

4,4

86

ANEXO 2.

44


Baga

zo d

e ca

ña(M

J/t)

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

7,0

55

Equi

vale

nte

de e

lect

ricid

ad e

n té

rmin

os s

ecun

dario

s(M

J/M

Wh)

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

3,6

00

Ura

nio

(MJ/

g)3

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

73

,28

7

2

El g

as n

atur

al a

soci

ado

se m

ide

a la

sal

ida

de la

s ba

tería

s de

sep

arac

ión,

est

anda

rizad

o a

20

°C

y a

10

0 K

Pa. E

l gas

nat

ural

a la

sal

ida

del p

ozo

tien

e un

po

der

calo

rífico

de

45

,22

5 k

J/m

3

3

El g

as n

atur

al n

o as

ocia

do e

s m

edid

o en

con

dici

ones

est

ánda

res,

El p

oder

cal

orífi

co a

boc

a de

poz

o es

de

38

,07

3 k

J/m

3

4

Cor

resp

onde

a v

olúm

enes

med

idos

a 2

0°C

y a

10

0 K

pa d

e pr

esió

n. E

l pod

er c

alor

ífico

del

gas

resi

dual

fac

tura

do e

s de

35

,42

0 K

J/m

3

45

ANEXO 3.

Constantes de combustión

N°

Sust

anci

a

Fórm

ula

Peso

m

olec

ular

Den

sida

dlb

/ ft

3

Vol

umen

es

peci

fico

ft3/l

b

Den

sida

d re

lati

va(a

ire=

1) Calor de combustión

BTU/ft3 BTU/lb

Bruto Neto Bruto Neto

1 Carbono C 12.011 - - - - - 14093 14093

2 Hidrógeno H2 2.0159 0.0053 167.97 0.0695 325 274.6 61095

3 Oxígeno O2 31.9988 0.0846 11.819 1.1053 - - - -

4 Nitrógeno N2 28.0135 0.0744 13.443 0.9717 - - - -

4’ Nitrógeno atmosférico

N2(atm) 28.1619 0.0748 13.372 0.9769 - - - -

5 Monóxido de Carbono

CO 28.0104 0.0740 13.506 0.9672 321.9 321.9 4347 4347

6 Dióxido de Carbono

CO2 44.0098 0.1170 8.547 1.5284 - - - -

Serie parafínica CnH2n+2

7 Metano CH4 16.0428 0.0424 23.574 0.5541 1013 922 23875 21495

8 Etano C2H6 30.0697 0.0803 12.455 1.0488 1792 1639 22323 20415

9 Propano C3H8 44.0966 0.1196 8.361 1.5624 2592 2385 21669 19937

10 n-Butano C4H10 58.1235 0.1582 6.321 2.0666 3373 3113 21321 19679

11 Iso-butano C4H10 58.1235 0.1582 6.321 2.0666 3365 3105 21271 19629

12 n-Pentano C5H12 72.1504 0.1904 5.252 2.4872 4017 3714 21095 19507

13 Iso-pentano C5H12 72.1504 0.1904 5.252 2.4872 4007 3705 21047 19459

14 Neo-pentano

C5H12 72.1504 0.1904 5.252 2.4872 3994 3692 20978 19390

15 n-Hexano C6H14 86.1773 0.2274 4.398 2.9702 4767 4415 20966 19415

Serie olefínica CnH2n

16 Etileno C2H4 28.0538 0.0746 13.412 0.974 1613 1512 21636 20275

17 Propileno C3H6 42.0807 0.1110 9.009 1.45 2336 2185 21048 19687

18 n-Buteno (Butileno)

C4H8 56.1076 0.1480 6.757 1.9333 3086 2885 20854 19493

19 Iso-buteno C4H8 56.1076 0.1480 6.757 1.9333 3069 2868 20737 19376

20 n-Penteno C5H10 70.1345 0.1852 5.400 2.4191 3837 3585 20966 19359

Serie aromática CnH2n-6

21 Benceno C6H6 78.1137 0.2060 4.954 2.6912 3746 3585 18184 17451

22 Tolueno C7H8 92.1406 0.2431 4.114 3.1753 4497 4296 18501 17672

23 Xileno C8H10 106.1675 0.2803 3.586 3.6612 5222 4970 19633 17734

Varios

24 Acetileno C2H2 26.0379 0.0697 14.345 0.9106 1499 1448 21502 20769

25 Naftaleno C10H8 128.1736 0.3384 2.955 4.4206 5855 5654 17303 16707

46


26 Alcohol metílico

CH3OH 32.0422 0.0846 11.82 1.1052 868 767 10258 9066

27 Alcohol etílico

C2H5OH 46.0691 0.1216 9.224 1.5884 1600 1449 13161 11918

28 Amoniaco NH3 17.0306 0.0456 21.930 0.5957 441 364 9667 7986

29 Azufre S 32.066 - - - - - 3980 3980

30 Sulfuro de Hidrógeno

H2S 34.0819 0.0911 10.897 1.1899 646 595 7097 6537

31 Sulfuro de Azufre

SO2 64.0648 0.1733 5.77 2.264 - - - -

32 Vapor de agua

H2O 18.0153 0.0476 21.017 0.62315 - - - -

33 Aire - 28.9660 0.0766 13.063 1 - - - -

Todos los volúmenes de gases corregidos a 60° F y 30” Hg en secoa) Pesos atómicos: C = 12.011; H = 1.0079; N = 14.0067b) Densidades calculadas a partir de valores dados en g/dm3 a 0º C y 760 mm Hg, por Tablas Internacionales.

Cuando no hay densidades disponibles, se toma el volumen de 1 mol igual a 22.415 dm3.c) Para gases saturados con agua, el valor de BTU hay que rebajarlo en 1.74%d) La corrección del poder calorífico bruto, para obtener el neto, se determina deduciendo 1.0597 BTU/

lbagua en los productos de combustión (ASME Steam Tables, 1983).e) Algunos materiales no existen como gases a 60.1ºF y 30”Hg, en cuyo caso los valores consignados son

teóricos.

Anexo III

47

Co

nst

an

tes

de

com

bust

ión

N°

Sustancia

Fórmula

ft3/f

t3 c

ombu

stib

lelb

/lb

com

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ible

Nec

esar

io p

ara

la

com

bust

ión

Prod

ucto

s de

co

mbu

stió

nN

eces

ario

par

a la

co

mbu

stió

nPr

oduc

tos

de c

ombu

stió

nA

ire

teór

ico

lb/1

04

BT

UO

2N

2(a

tm)

Aire

C O2

H2O

N2

(atm

)O

2N

2(a

tm)

Aire

CO

2H

2O

N2

(atm

)

1C

arbo

noC

13

,77

34

,77

31

-3

,77

32

.66

48

.84

61

1.5

13

.66

4-

8.8

46

8.1

67

2H

idró

geno

H2

0,5

1,8

87

2,3

87

-1

1,8

87

7.9

36

26

.35

34

.29

-8

.93

72

6.3

55

13

5M

onóx

ido

de C

arbo

noC

O0

.51

.88

72

.38

71

-1

.88

70

.57

11

.89

72

.46

81

.57

1-

1.8

97

5.6

77

Serie

par

afín

ica

CnH

2n+

2

7M

etan

oC

H4

27

.54

79

,54

71

27

,54

73

,98

91

3,2

51

7.2

42

.74

32

,24

61

3,2

57

,21

9

8Et

ano

C2H

63

.51

3.2

11

3,2

12

31

3,2

13

,72

41

2,3

71

6.0

92

,92

71

,79

71

2,3

77

,20

9

9Pr

opan

oC

3H

85

18

.87

23

,87

34

18

,87

3,6

28

12

,05

15

.68

2,9

94

1,6

34

12

,05

7,2

34

10

n-Bu

tano

C4H

10

6,5

24

.53

31

,03

45

24

,53

3,5

78

11

,88

15

.46

3,0

29

1,5

51

1,8

87

,25

1

11

Iso-

buta

noC

4H

10

6,5

24

.53

31

,03

45

24

,53

3,5

78

11

,88

15

.46

3,0

29

1,5

51

1,8

87

,26

8

12

n-Pe

ntan

oC

5H

12

83

0.1

93

8,1

95

63

0,1

93

,54

81

1,7

91

5.3

33

,05

1,4

98

11

,78

7,2

67

13

Iso-

pent

ano

C5H

12

83

0.1

93

8,1

95

63

0,1

93

,54

81

1,7

91

5.3

33

,05

1,4

98

11

,78

7,2

83

14

Neo

-pe

ntan

oC

5H

12

83

0.1

93

8,1

95

63

0,1

93

,54

81

1,7

91

5.3

33

,05

1,4

98

11

,78

7,3

07

15

n-H

exan

oC

6 H

14

9.5

35

.85

45

,35

67

35

,85

3,5

27

11

,71

15

.24

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26

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27

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54

30

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49

ANEXO 4.

Reacciones de combustión Combustibles Reacciones Moles Masa/peso lbCarbono a Monóxido de carbono

2C + O2 = 2CO 2 + 1 →2 24+32=56

Carbono a Bióxido de carbono C + O2 = CO2 1 + 1 → 1 12+32=44

Monóxido de carbono 2CO + O2 = 2CO2 2 + 1 → 2 56+32=88

Hidrógeno 2H2 + O2 = 2H2O 2 + 1 → 2 4+32=36

Azufre a Bióxido de azufre S + O2 = SO2 1 + 1→ 1 32+32=64

Metano CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 1 + 2 → 1 + 2 16+64=80

Acetileno 2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H2O 2 + 6 → 4 + 2 52+160=212

Etileno C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O 1 + 3 → 2 + 2 28+96=124

Etano 2C2H2 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O 2 + 7 → 4 + 6 60+224=284

Sulfuro de hidrógeno 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O 2 + 3 → 2 + 2 68+96=164

Nota: Los productos principales de las reacciones de combustión son el bióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O).

51

ANEXO 5. CLASIFICACIÓN DE CALDERAS

Las calderas pueden clasificarse de muy diversas formas, entre las que cabe mencionar:

Por el tipo de combustible:

• Combustiblesólido

• Combustiblelíquido

• Combustiblegaseoso

Por su configuración:

• Vertical

• Horizontal

Por el mecanismo de transmisión de calor dominante:

• Convección

• Radiación

• Radiaciónyconvención

Por el fluido calor portador:

• Deaguacaliente

• Deaguasobrecalentada

• Devapor

• Deaceitetérmico

52


Por la presión de funcionamiento:

• Debajapresión

• Demediapresión

• Dealtapresión

Por la presión del hogar:

• Dehogarendepresión

• Atmosféricas

• Desobrepresión

Por el tiro:

• Detironatural

• Dehogarpresurizado

• Dehogarequilibrado

Por el modo de gobernar la operación:

• Deoperaciónmanual

• Semiautomáticos

• Automáticos

Por el principio de diseño:

• Acuatubulares

• Pirotubulares

53

BIBLIOGRAFÍA

United States Environmental Protection Agency (EPA). Brian W. Doyle. Combustion Source Evaluation, APTI Course 427, Student Ma nual Third Edition. Environmental Research Center, Research Triangle Park, NC.2003. EPA Contract No. 68D99022.

Analizador de gases / ECA 450 Bacharach.Disponible en: http://www.bacharach-inc.com/eca-450.htm

Escala de BacharachDisponible en: http://www.bacharach-inc.com/true-spot.htm

Calderas Disponible en: www.calderas.comDisponible en: http://www.powermaster.com.mx/informacion/aceite.htmlDisponible en: http://www.termotecnica.com.pe/calderasace.html

Calentadores térmicosDisponible en: http://www.powermaster.com.mx/informacion/aceite.html

Productos de PemexDisponible en: http://www.pemex.com/index.cfm?action=content&sectionID=4&catID=10015Disponible en: http://cuentame.inegi.org.mx/economia/petroleo/quees.aspx?tema=EDisponible en: http://www.ref.pemex.com/octanaje/24DIESEL.htm

Secretaria de Energía Disponible en: http://www.sener.gob.mx/portal/Default.aspx?id=1428#


El tiraje consta de 500 ejemplaresy se terminó de imprimir en el mes de julio de 2013,

en talleres Sfera Creativa S.A. de C.V.Calle Correspondencia # 4 Col. Alamos, Del. Benito Juárez,

C.P. 03410, México D.F.

El cuidado de la edición estuvo a cargo de laCoordinación General de Comunicación Social,

el contenido es responsabilidad de laDirección General de Energía y Actividades Extractivas

guÍa de buenas prÁcticas indirecto

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