libro calderas a bagazo
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Calderas a Bagazo
Carlos O. Alderetes
Proyecto, operación y mantenimiento
2016 – Argentina
Título: Calderas a Bagazo – Proyecto, operación y mantenimiento
Autor: Carlos Alderetes
Contribuciones: Dora Paz, Marcos Golato, Federico Franck Colombres
ISBN: 978-987-42-0250-5
CDD 621.182
Primera Edición: 2016
Edición del Autor
Reservado todos los derechos
Impreso en Argentina
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Dedicado a:
A mis padres, Ricardo y Lolita
A mi esposa e hijos, Estela, Ramiro y Facundo
A mí querida Escuela de Agricultura y Sacarotecnia de la Universidad Nacional de Tucumán (UNT) que me enseñó a pensar críticamente
A Don Angel Armando Grancelli
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PREFACIO
Los generadores de vapor en la industria azucarera son equipos críticos, pues
proveen tanto la energía térmica para el proceso, como la potencia necesaria para el
accionamiento de los equipos y maquinarias involucrados. Sirven también, para generar y
suministrar energía sobrante a la red pública, produciendo nuevos ingresos por este
servicio a través de la cogeneración
Considerando que hay más de 1000 ingenios azucareros de caña alrededor del
mundo y teniendo en cuenta la cantidad de generadores de vapor instalados en cada uno
de ellos, puede decirse que la industria azucarera sea tal vez entre las industrias, la de
mayor demanda de calderas industriales
A nivel global puede estimarse entonces que existen más de 3000 calderas
instaladas, y a modo de ejemplo, citaremos que solamente en los ingenios del Estado de
San Pablo-Brasil, hubo censadas en el año 2009 unas 480 calderas, sin contar las que
estaban en fase de montaje y en proyectos a implementarse. Es difícil encontrar otra
industria que concentre tantos generadores de vapor en su actividad
Por otro lado, el creciente interés y desarrollo de la cogeneración en la industria, trajo
dos hechos importantes. Por un lado, importantes inversiones en calderas de gran
capacidad y eficiencia, con elevadas presiones y temperaturas de trabajo. Y por el otro,
un replanteo integral de las prácticas operacionales y de mantenimiento, sostenidas hasta
el momento, con calderas tradicionales de baja presión y eficiencia. Dependiendo del país
y cogenerando a partir del bagazo, la industria azucarera aporta hasta más del 5% de la
energía total requerida por el mismo, generando importantes ahorros de combustibles
fósiles no renovables
También sumándose a estos cambios, ya están en marcha en Brasil y otros países
las primeras calderas de un solo domo (monodrum) y las de lecho fluidizado que
introducen una nueva tecnología e innovación en este campo, con capacidades y
condiciones de trabajo nunca antes visto, salvo en las centrales termoeléctricas
Por lo anterior, cobra gran importancia el conocimiento, manejo e implementación de
las buenas prácticas establecidas en los códigos y normas internacionales para calderas,
tales como, los de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), del National
Board Inspector Code (NBIC), EPRI (Energy Power Research Institute) o las del Comité
Europeo de Normalización (CEN), como también la adopción de nuevas técnicas en el
campo del conocimiento que posibilitan un manejo más responsable y eficiente de este
equipamiento
Nuevos conocimientos sobre las propiedades del bagazo, sumados a la aparición de
herramientas computacionales de cálculo, diseño y simulación tales como CFD
(Computational Fuid Dynamics), FEM (Finite Element Method), más un importante avance
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tecnológico en las áreas de la instrumentación-control automático, en técnicas no
destructivas (NDT) de inspección y mantenimiento, etc. han ocasionado un verdadero
proceso de modernización nunca antes visto en este campo.
Con relación al uso de herramientas computacionales (CFD), caben destacarse los
trabajos del Sugar Research Institute (SRI) de Australia, que lideran las investigaciones
en el campo de la generación de vapor con bagazo conducidas por el Dr.Terry Dixon y
sus colaboradores
Si bien las modernas calderas se van imponiendo en nuevos proyectos, queda una
gran mayoría de equipos antiguos que precisan ser repotenciados. Como herramienta de
mejora aplicable a ambos equipos, queremos destacar al secado del bagazo que en
Argentina y en otros países latinoamericanos tiene experiencias exitosas. Es por esta
razón que como capítulo especial, este tema ha sido escrito con la colaboración de un
grupo de especialistas de la Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres
(EEAOC) de Tucumán
La importancia de estos equipos, sumada al hecho de que varios de los textos en
español sobre calderas han sido más bien descriptivos, con escasos cálculos y estar
además desactualizados, han motivado el propósito de escribir un libro práctico destinado
exclusivamente a las calderas que operan con bagazo y que integre las herramientas
antes citadas
Este libro que pretende ser práctico, actualizado e integral, está dirigido a los
profesionales y técnicos de la industria azucarera que deben operan con dichos equipos y
enfrentar en su quehacer diario situaciones de distinta naturaleza, al mismo tiempo de
aportar a la difusión de las mejoras prácticas de ingeniería en este campo. También está
dirigido a los estudiantes de ingeniería que desean actuar en dicha industria
El libro tiene desarrollado en diversos capitulos, ejemplos de cálculos térmicos,
hidráulicos y mecánicos basados en los mejores estándares de ingeniería, para
ejemplificar los conceptos y brindar las herramientas que posibiliten un mejor análisis de
los problemas. Como en todo trabajo de esta naturaleza y a pesar del cuidado puesto,
puede haberse escapado algún error y pedimos disculpas por ello
Finalmente, es un deseo que este libro sea usado en las oficinas técnicas de los
ingenios azucareros de Latinoamérica y que se constituya en un auxiliar permanente por
parte de quienes deben tratar con las calderas
Carlos Alderetes
Argentina – 2015
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AGRADECIMIENTOS
A los investigadores Dr.Ing. Dora Paz, Ing. Marcos Golato e Ing. Federico Franck
Colombres del sector de ingeniería de la prestigiosa Estación Experimental
Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) de Tucumán, por su colaboración en el
capítulo sobre el secado de bagazo, que aportaron sobre sus exitosas
experiencias logradas en este campo en ingenios de Argentina y otros países
latinoamericanos
A la firma Caldema Equipamientos Industriales Ltda de Brasil que permitió la
reproducción de algunas figuras de sus equipos, ayudando así a mejorar la
ilustración gráfica y presentación de los mismos
SOBRE EL AUTOR
Carlos Alderetes: Es Ingeniero Mecánico graduado en la Universidad Tecnológica
Nacional (UTN), Facultad Regional Tucumán, Argentina, con posgrado de especialización
en Administración y Marketing Estratégico en la Universidad de Belgrano, Buenos Aires.
Es también Perito Sacarotecnico egresado de la Escuela de Agricultura y Sacarotecnia de
la Universidad Nacional de Tucumán (UNT). Cuenta con más de 25 años de experiencia
continua en la industria ocupando cargos de gerencias y jefaturas en empresas
nacionales y multinacionales de Argentina y Bolivia en las actividades de azúcar-alcohol,
gas y petróleo, química, y celulosa-papel.
Ex Profesor Asociado de la cátedra Tecnología de la Energía Térmica e Ingeniería de
las Instalaciones de la carrera de Ingeniería Química en la Universidad Tecnológica
Nacional (UTN – FRRE) - Argentina, en donde actualmente imparte cursos de posgrado
en temas de su especialidad
Es miembro de ASME y participa como Instructor de ASME Virtual en cursos online
sobre calderas y dispositivos de alivio de presión para los países de habla hispana. Ha
capacitado por este medio a profesionales de México, España, Perú, Bolivia, Chile,
Ecuador y Brasil. Colabora como coordinador del subgrupo de performance de calderas
del Latin América Boiler Users Affinity Group de ASME. También integra la Junta Nacional
de Inspección de Calderas y Recipientes a Presión de Argentina liderada por el INTI
participando en sus comisiones técnicas
SOBRE LOS COLABORADORES
Dora Paz: Es Doctora en Ingeniería Química, de la Universidad Nacional de Tucumán
(UNT), Argentina, siendo el tema de su tesis: Modelado Exergoeconómico de Fábricas de
Azúcar de Caña. Es Investigador Principal en la Estación Experimental Agroindustrial
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Obispo Colombres (EEAOC), de Tucumán, Argentina; Coordinadora del Programa de
investigación: Industrialización de la caña de azúcar, y Jefe de Sección Ingeniería y
Proyectos Agrondustriales.
Es además Profesor Adjunto, en la cátedra de Balances de Masa y Energía en la
carrera de Ingenieria Química de la UNT. Es Profesor de Usos térmicos de la biomasa en
la Maestría en Ingeniería Bioenergética de la Universidad Tecnológica Nacional UTN),
Facultad Regional Tucumán, Argentina.
Cuenta con más de 25 años de experiencia en uso racional de la energía, simulación
digital de procesos, dimensionado de sistemas de secado de bagazo, eficiencia
exergética y aprovechamiento energético de residuos, ha participado en más de 30
proyectos de investigación, y publicado más de 70 papers en revistas científicas y de
difusión, nacionales e internacionales. Ha dictado cursos de capacitación y realizado
trabajos de consultoría en Argentina y en el exterior (Panamá, Colombia, Nicaragua,
México, Guatemala, entre otros). Actualmente es Directora de proyecto FITS “Incremento
de la eficiencia energética de sistemas de producción de bioelectricidad en la industria
sucroalcoholera a partir de biomasas residuales: bagazo presecado y residuos agrícolas
de cosecha (BIORAC)” (2015-2017). También es vicepresidente de la Sociedad Argentina
de Técnicos de la Caña de Azúcar (SATCA).
Marcos Golato: Es Ingeniero Mecánico graduado de la Universidad Nacional de
Tucumán (UNT), Argentina. Es también Técnico Mecánico egresado del Colegio
Salesiano Lorenzo Massa de Tucumán. Es Investigador Adjunto en la Sección Ingeniería
y Proyectos Agroindustriales de la Estación Experimental Agroindustrial Obispo
Colombres (EEAOC), de Tucumán; y es Responsable del Laboratorio de Ensayos y
Mediciones Industriales (LEMI) de la misma Institución.
Es Profesor Asociado, del Departamento de Mecánica de la Facultad de Ciencias
Exactas y Tecnología de la UNT; Responsable de la Cátedra de Sistemas de Control de la
carrera de Ingeniería Mecánica de la UNT y Miembro de la Comisión Académica de esa
carrera.
Cuenta con más de 12 años de experiencia en mediciones de variables de procesos,
ensayos en generadores de vapor y secadores de bagazo, médula y cáscara de limón:
También posee experiencia en el monitoreo de emisiones de gases y material particulado
efluentes por chimeneas de generadores de vapor de la industria azucarera y citrícola.
Acredita más de 10 años de experiencia como docente en el área de control y
automatización de procesos; Y ha participado en más de 10 proyectos de investigación
con financiamiento externo y publicado más de 20 artículos en revistas científicas y de
difusión sobre temas de eficiencia y aprovechamiento energético.
Federico José Franck Colombres: Es Ingeniero Mecánico graduado de la
Universidad Nacional de Tucumán (UNT), Argentina. Es Investigador Asistente en la
Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales de la Estación Experimental
Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC), de Tucumán. Profesor Asociado en las
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cátedras de Termodinámica de la carrera de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Azucarera y
de Termodinámica y Máquinas Térmicas de la carrera de Ingeniería Industrial, de la
Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología de la UNT.
Cuenta con más de 8 años de experiencia en balances de materia y energía,
mediciones industriales; simulación de procesos; determinación de eficiencia y regulación
en generadores de vapor y secadores; diseño térmico y mecánico de secadores de
bagazo y otros equipos; mantenimiento de equipos; optimización energética; tratamientos
de efluentes; estudios de generación y cogeneración a partir de biomasa para plantas
termoeléctricas, industria azucarera y citrícola. Ha participado en más de 10 proyectos de
investigación, y publicado más de 10 papers en revistas científicas y de difusión,
nacionales e internacionales. Ha dictado cursos de capacitación y realizado trabajos de
consultoría en Argentina y en el exterior (Panamá, Nicaragua, México y Guatemala).
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INDICE GENERAL
Capítulo Nº1 Páginas
1.0 La Industria azucarera mundial 13
1.1 La Industria azucarera argentina 15
1.2 Referencias 16
Capítulo Nº2
2.0 Balance termo energético 18
2.1 Cogeneración 19
2.2 Optimización energética - Exergía 24
2.3 Referencias 24
Capítulo Nº3
3.0 Biomasa 27
3.1 Producción y manejo del bagazo 28
3.2 Propiedades físicas del bagazo 37
3.3 Residuos de cosecha cañera – RAC 43
3.4 Composición química del bagazo y RAC 45
3.5 Composición mineral del bagazo 48
3.6 Poder calorífico del bagazo y RAC 49
3.7 Efecto de las cenizas sobre el poder calorífico 51
3.8 Combustibles adicionales 52
3.9 Exergía de los combustibles 53
3.10 Referencias 56
Capítulo Nº4 4.0 Combustión del bagazo 60
4.1 Estática de la combustión 60
4.2 Balance de masas 62
4.3 Exceso de aire 64
4.4 Combustión incompleta 68
4.5 Residuos de la combustión 73
4.6 Acción de las cenizas 77
4.7 Dinámica de la combustión 82
4.8 Tiempo de quemado de las partículas 84
4.9 Aire primario y secundario 86
4.10 Balance de energía en la combustión 90
4.11 Temperatura teórica o máxima de combustión 95
4.12 Pérdidas energéticas en la combustión 98
4.13 Pérdida de exergía en la combustión 100
4.14 Referencias 104
Capítulo Nº5
5.0 Generación de vapor 107
8
5.1 Clasificación de las calderas 111
5.2 Calderas de diseño tradicional 112
5.3 Calderas de un solo domo (monodrum) 115
5.4 Calderas de lecho fluidizado (CFB) 117
5.2 Parámetros de diseño y performance 120
5.3 Demanda de vapor y energía 123
5.4 Selección de las condiciones de operación 127
5.5 Selección de capacidad y cantidad de equipos 129
5.6 Referencias 132
5.7 Website 134
Capítulo Nº6 6.0 Calidad de agua y vapor 136
6.1 Agua de alimentación 138
6.2 Parámetros fisicoquímicos del agua 142
6.3 Requerimientos de calidad de agua 145
6.4 Calidad de vapor 150
6.5 Parámetros de control de agua 152
6.6 Tratamiento del agua 155
6.7 Purgas de la caldera 157
6.8 Ciclos de concentración 160
6.9 Análisis energético del purgado 161
6.10 Desgasificación térmica 163
6.11 Capacidad del tanque de agua de alimentación 165
6.12 Capacidad del sistema de bombeo 175
6.13 Referencias 177
Capítulo Nº7
7.0 Selección de materiales 179
7.1 Especificación de los materiales 180
7.2 Resistencia mecánica de los aceros. Creep 182
7.3 Parámetro de Larson & Miller 189
7.4 Aceros para calderas según ASME I y II 193
7.5 Resistencia a la fatiga 196
7.6 Materiales de soldadura 198
7.7 Aceros para cañerías de vapor 200
7.8 Materiales refractarios 204
7.9 Instalación de materiales refractarios 210
7.10 Referencias 212
7.11 Website 213
Capítulo Nº8
8.0 Proyecto del generador de vapor 215
8.1 Mecánica de fluidos computacional CFD 219
8.2 Referencias 221
Capítulo Nº9
9
9.0 Diseño térmico del generador de vapor 223
9.1 Proyecto del hogar 224
9.2 Transferencia de calor en el hogar 228
9.3 Propiedades de la radiación 233
9.4 La superficie radiante 250
9.5 Referencias 262
Capítulo Nº10 10.0 Diseño térmico del hogar 263
10.1 Balance energético del hogar 264
10.2 Modelo de Konakov 267
10.3 Método normativo ruso 270
10.4 Parámetros de diseño del hogar 273
10.5 Temperatura de salida del hogar 281
10.5 La geometría del hogar 292
10.6 Cálculo del hogar según método estándar ruso 287
10.7 Radiación en cavidades 292
10.8 Construcción y componentes del hogar 294
10.9 Referencias 308
10.10 Website 309
Capítulo Nº11
11.0 Banco de convección 311
11.1 Tubos pantallas (Screen) 313
11.2 Banco de convección - Arreglos 314
11.3 Dimensionado del banco convectivo 316
11.4 Referencias 319
Capítulo Nº12
12.0 Circulación natural del agua 321
12.1 Objetivos de la circulación 324
12.2 Parámetros de la circulación natural 326
12.3 Requisitos de la circulación 332
12.4 La circulación en calderas a bagazo 336
12.5 Cálculos de circulación en calderas 337
12.6 Separación del sistema agua-vapor ( domos) 344
12.7 Factores que afectan la separación 348
12.8 Dimensionado de los domos 350
12.9 Selección de materiales para el domo 355
12.10 Diseño mecánico del domo 356
12.11 Referencias 359
Capítulo Nº13
13.0 Sobrecalentamiento del vapor 362
13.1 Proyecto del sobrecalentador 363
13.2 Factores que afectan al sobrecalentamiento 364
13.3 Tipos de sobrecalentadores 366
10
13.4 Disposición de los sobrecalentadores. 368
13.5 Materiales para sobrecalentadores 370
13.6 Diseño mecánico 373
13.7 Soportes y colectores de serpentines 376
13.8 Flujo de fluidos en el sobrecalentador 378
13.9 Diseño térmico del sobrecalentador 382
13.10 Regulación del sobrecalentamiento 400
13.11 Referencias 405
Capítulo Nº14 14.0 Economizador 407
14.1 Temperatura de precalentamiento del agua 408
14.2 Instalación de economizadores 410
14.3 Tipo y construcción de economizadores 411
14.4 Cálculo del economizador 414
14.5 Coeficiente total de transmisión del calor 417
14.6 Pre dimensionado de un economizador 424
14.7 Operación del economizador 424
14.8 Referencias 425
Capítulo Nº15
15.0 Pre calentadores de aire 426
15.1 Temperaturas y etapas de precalentamiento 427
15.2 Disposición de aire y gases 428
15.3 Construcción del pre calentador de aire 429
15.4 Flujo de fluidos y transferencia de calor 431
15.5 Dimensionado del pre calentador de aire 434
15.6 Precalentamiento del aire en la combustión 440
15.7 Cálculo del pre calentador de aire 443
15.8 Optimizando el desempeño del calentador 445
15.9 Ensayo de performance según ASME PTC4.3 446
15.10 Referencias 446
Capítulo Nº16
16.0 Secado del bagazo 449
16.1 Aplicaciones y beneficios del secado de bagazo 450
16.2 Factores de diseño y ubicación del secador 451
16.3 Balances masa y energía -Tipos de secadores 456
16.4 Referencias. 469
Capítulo Nº17
17.0 Manejo de gases y cenizas 471
17.1 Flujo de fluidos y pérdida de carga 473
17.2 Selección de ventiladores 475
17.3 Regulación de ventiladores 481
17.4 Control y ensayos de ventiladores 482
17.5 Cálculo de la chimenea 483
11
17.6 Contaminación ambiental 487
17.7 Limpieza de gases 490
17.8 Diseño de equipos separadores de partículas 491
17.9 Recolección de cenizas 503
17.10 Referencias 509
17.11 Website 510
Capítulo Nº18 18.0 Sistemas de control 512
18.1 Sistemas de control en la caldera 513
18.2 Sistema de control de nivel 515
18.3 Instalación del sistema de control de nivel 517
18.4 Sistema de control de la demanda 519
18.5 Sistema de control de temperatura 521
18.6 Sistema de control de la combustión 523
18.7 Sistema de control de tiro 525
18.8 Referencias 524
18.9 Website 526
Capítulo Nº19
19.0 Operación de la caldera 528
19.1 Secado de la mampostería en calderas nuevas 529
19.2 Controles pre-operacionales 531
19.3 Arranque en frío y levantamiento de presión 533
19.4 Arranque en caliente (hot start) 535
19.5 Marcha normal 536
19.6 Parada normal 538
19.7 Paradas de emergencia 540
19.8 Tensiones térmicas en la puesta en marcha 541
19.9 Referencias 541
19.20 Website 542
Capítulo Nº20
20.0 Ensayos de performance 545
20.1 Códigos de ensayos de performance ASME PTC 546
20.2 Ensayo de performance ASME PTC4-2013 547
20.3 Pretest de comprobación 547
20.4 Objetivos de un ensayo de recepción 548
20.5 Métodos de ensayos 549
20.6 Duración, operaciones y registro del ensayo 549
20.7 Valoración de las pérdidas de energía 551
20.8 Resultados y análisis de incertidumbre 554
20.9 Ejecución del ensayo de calderas 566
20.10 Cálculo de las pérdidas de energía 572
20.11 Mediciones e instrumentos 575
20.12 Análisis exergético y test de performance 576
12
20.13 Referencias 585
Capítulo Nº21 21.0 Mantenimiento 587
21.1 Mecanismos de desgaste y tipos de fallas 588
21.2 Objetivos del mantenimiento e indicadores 592
21.3 Organización del mantenimiento 594
21.4 Técnicas del mantenimiento 596
21.5 Erosión de las cenizas 599
21.6 Control de espesores 604
21.7 Protección contra el desgaste 606
21.8 Fallas por sobrecalentamiento 607
21.9 Réplicas metalográficas 609
21.10 Extensión de vida útil según EPRI 610
21.11 Mediciones de temperatura en el metal 616
21.12 Prueba hidrostática 617
21.13 Tratamiento pre-operacional 618
21-14 Reparaciones y alteraciones 622
21.15 Reemplazo y reparación de tubos 622
21.16 Dispositivos de alivio de presión 630
21.17. Sopladores de hollín 635
21.18 Reparación de domos 640
21.19 Mantenimiento predictivo de equipos rotantes 642
21.20 Conservación en la interzafra (lay-up) 644
21.21 Limpieza química 647
21.22 Referencias 648
21.23 Website 652
Capítulo Nº22
22.0 Montaje de calderas 654
22.1 Organización del montaje 654
22.2 La curva S del proyecto 656
22.3 Composición del peso de una caldera 657
22.4 Referencias 665
Calderas a Bagazo
Proyecto, operación y mantenimiento
Los generadores de vapor en la industria azucarera son equipos críticos, pues proveen tanto
la energía térmica para el proceso, como la potencia necesaria para el accionamiento de los equipos
y maquinarias involucrados. Sirven también, para generar y suministrar energía sobrante a la red
pública a partir de la combustión del bagazo, produciendo nuevos ingresos por este servicio a través
de la cogeneración
Considerando que hay más de 1000 ingenios azucareros de caña alrededor del mundo y
teniendo en cuenta la cantidad de generadores de vapor instalados en cada uno de ellos, puede
decirse que la industria azucarera sea tal vez entre las industrias, la de mayor demanda de calderas
industriales
La importancia de estos equipos, sumada al hecho de que varios de los textos en español sobre
calderas han sido más bien descriptivos, con escasos cálculos y estar desactualizados, han motivado
el propósito de escribir un libro práctico destinado exclusivamente a las calderas que operan con
bagazo y que integre los últimos desarrollos producidos en este campo
Este libro que pretende ser práctico, actualizado e integral, está dirigido a los profesionales y
técnicos de la industria azucarera que deben operan con dichos equipos y enfrentar en su quehacer
diario situaciones de distinta naturaleza, al mismo tiempo de aportar a la difusión de las mejoras
prácticas de ingeniería en el rubro. También está dirigido a los estudiantes de ingeniería que desean
actuar en dicha industria
El libro tiene desarrollado en diversos capitulos, ejemplos de cálculos térmicos, hidráulicos y
mecánicos basados en los mejores estándares de ingeniería, para ejemplificar los conceptos y
brindar las herramientas que posibiliten un mejor análisis de los problemas
Carlos Alderetes