tfg control de emisiones en una caldera de vapor

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

QUÍMICA Y AMBIENTAL

Grado en Ingeniería Química

Intensificación: Procesos Químicos

Proyecto Fin de Grado 2015

Autor: Álvaro Azagra Morón

Tutor: Antonio Plumed Rubio

CONTROL DE EMISIONES EN UNA CALDERA DE

VAPOR ALIMENTADA CON ORUJILLO

*Diferencia a (100- Cenizas)

**8,515-4,46=4,055 *** Los caudales de gas y aire son calculados respecto al caudal de orujillo de la situación 1 Como ambos caudales son proporcionales entre sí, se sigue cumpliendo la ecuación.

Álvaro Azagra Morón Página 2

ÍNDICE

1. Introducción y objetivos.........................................................página 3

2. Especificaciones técnicas de la caldera y del orujillo...............páginas 4-6

3. Control de emisiones.......................................................páginas 7-16

3.1 Ciclones..............................................................páginas 7-8

3.2 Precipitadores electrostáticos.................................páginas 8-10

3.3 Lavadores húmedos............................................páginas 10-11

3.4 Filtro de Mangas.................................................páginas 12-15

3.5 Intercambiador..................................................páginas 16-19

4. Diseño final...................................................................página 20-32

4.1 Diseño intercambiador de placas..............................páginas 25-28

4.2 Diseño filtro de mangas..........................................páginas 29-32

5. Normativa aplicada........................................................páginas 33-40

6.Conclusiones.................................................................páginas 41




Introducción y objetivos

El orujillo es la biomasa obtenida del orujo de dos o tres fases una vez

deshuesado parcialmente, reducida la humedad en secaderos tipo trómel y

desengrasado en plantas de extracción física-química. Su fracción seca está

compuesta por piel (15-30%), hueso (30-45%) y sólidos finos de pulpa (30-

50%) Es una biomasa que como el hueso procede de la aceituna, se

produce en grandes cantidades en España.

Normalmente se usa como combustible biomásico en calderas industriales

para producción térmica. Es el combustible usado en gran parte de las

calderas de la industria agroalimentaria asociada con la aceituna. En la

última década se exporta en grandes cantidades a Europa para combustible

de calderas industriales, en sustitución de otros combustibles fósiles, facilita

el cumplimiento del pacto de Kioto por sus reducidas emisiones de CO2. El

resto se utiliza principalmente para la generación de electricidad en plantas

de biomasa andaluzas, generalmente en centrales con tecnología de turbina

de vapor ubicadas en el mismo complejo agroindustrial de la extractora.

El uso de orujillo para el secado tiene como inconvenientes una elevada

emisión de partículas, que sobrepasan los límites establecidos si no se

aplican sistemas de captación adecuados. Por ello, es de especial interés el

control de emisiones en una caldera de vapor alimentada con orujillo.




ESPECIFICACIONES DE LA CALDERA Y DEL ORUJILLO

El control de emisiones se va a realizar en una caldera de vapor alimentada

con orujillo con una capacidad de producción de 12 toneladas a la hora,

cuyo vapor se quiere a 16 kg/cm2, aproximadamente unos 200ºC.

Existen muchos fabricantes de caldera de biomasa que producen vapor

saturado, dentro de la gran variedad de calderas de escala industrial (la

capacidad de producción es considerablemente alta) se ha seleccionado el

modelo global-500 del fabricante "Grupo Nova Energía" debido a las

siguientes características principales:

Caldera de acero y revestimiento en refractario para la producción de

agua caliente, agua sobrecalentada, vapor saturado o vapor

sobrecalentado. Potencias de 350 a 5800 kW.

Su software de fácil manejo permite una gestión global del proceso

de combustión.

Su construcción modular permite mantener la cámara de combustión

y sustituir el intercambiador de calor superior, de manera que se

puede obtener la producción de agua caliente a 95 ºC 2 bar, agua

sobrecalentada a 150ºC 5 bar o vapor saturado a 12 bar.

Amplia cámara de postcombustión que reduce las emisiones en la

atmósfera y facilita la decantación de las partículas en el interior de la

misma cámara.

Revestimiento refractario de gran espesor que facilita el secado del

combustible y homogeneíza el flujo de los gases de entrada al

intercambiador.




Geometría de la caldera diseñada con 4 pasos de humo para

aumentar al máximo los tiempos de permanencia de los humos en el

interior de la caldera y así alcanzar la mayor eficiencia con las

mínimas emisiones en la atmósfera.

Foto 1. Caldera Global-500 1

En cuanto las especificaciones del orujillo, a continuación se detalla su

análisis elemental:




Identificación

ORUJILLO

Código Laboratorio C-001-05

PARÁMETRO Unidad COMO SE RECIBE BASE SECA

RESULTADO Incert.(k=2) RESULTADO Incert.(k=2)

CARBONO

ASTM D5373 n/PEE-C-7 %p -- -- 49,51 0,16

HIDRÓGENO

ASTM D5373 n/PEE-C-7 %p -- -- 5,69 0,07

NITRÓGENO

ASTM D5373 n/PEE-C-7 %p -- -- 1,18 0,07

AZUFRE

ASTM D4293 n/PEE-C-6 %p -- -- 0,10 0,06

OXÍGENO (1)

n/PEE-C-11 %p -- -- 34,89 0,27

HUMEDAD

UNE 32-001 n/PEE-C-2 %p 5,66 0,13 -- --

CENIZAS

ASTM D3174 n/PEE-C-4 %p 8,14 0,17 8,63 0,18

VOLÁTILES

UNE 32-019 n/PEE-C-5 %p 64,65 0,30 68,53 0,30

CARBONO FIJO (2)

n/PEE-C-11 %p 21,55 0,40 22,84 0,42

Observaciones

(1) Diferencia a (100 - Cenizas).

(2) Diferencia a 100.

(n.c.) No Calculada.




CONTROL DE EMISIONES

En este apartado, se va a analizar diferentes alternativas para el control de

emisiones de la caldera de vapor alimentada con orujillo, considerando las

ventajas e inconvenientes de las mismas, para elegir la opción óptima tanto

en materia de límites de emisión como también el punto de vista

económico.

3.1 Ciclones

Los ciclones usan el principio de la fuerza centrífuga para remover el

material particulado. En un ciclón, el flujo contaminante es forzado a un

movimiento circular. Este movimiento ejerce fuerza centrífuga sobre las

partículas y las dirige a las paredes exteriores del ciclón. Las paredes del

ciclón se angostan en la parte inferior de la unidad, lo que permite que las

partículas sean recolectadas en una tolva. El aire limpio sale del ciclón por

la parte superior de la cámara, pasando por un espiral de flujo ascendente o

vórtice formado por una espiral que se mueve hacia abajo.

Foto 2. FUNCIONAMIENTO CICLÓN

Los ciclones son eficientes para remover partículas grandes pero no son tan

eficientes para partículas pequeñas. Por esta razón, a menudo se usan con

otros dispositivos de control. A pesar de lo anterior, hay muchas fábricas




que siguen utilizándolo ya que antiguamente los límites de emisión no eran

tan severos y en la actualidad, se encuentran con que deben de cambiar de

método para hacer cumplir la normativa medioambiental.

Foto 3. Multiciclones instalados tras caldera de vapor alimentada con orujillo en la fábrica de Fuente del Obispo (Jaén) Grupo Acesur

3.2 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

La precipitación electrostática o electrofiltración es una operación básica de

separación de partículas sólidas o líquidas (nieblas) suspendidas en

corrientes gaseosas, por efecto de la fuerza que un campo eléctrico ejerce

sobre dichas partículas eléctricamente cargadas.

El principio de operación de los equipos de precipitación electrostática

consiste en dotar a las partículas a depurar de una cierta carga eléctrica, de

tal forma que, bajo la acción de un campo electrostático, son depositadas

sobre unas superficies de captación, siendo posteriormente separadas




definitivamente de la corriente gaseosa. En este sentido, los electrofiltros

son los únicos equipos de desempolvado en los que las fuerzas encargadas

de la separación actúan exclusivamente sobre las partículas y no sobre la

totalidad de la masa del gas, produciendo muy bajas pérdidas de carga.

Foto 4. Esquema básico de un electrofiltro de placas

Esta alternativa tiene asociada una serie de ventajas e inconvenientes que

están detallados a continuación :

Ventajas:

1. Muy altos rendimientos de depuración (pueden ser superiores al 99%).

2. Alta eficacia fraccional para partículas de pequeño tamaño.

3. Capacidad de tratamiento para volúmenes de gases muy grandes,

produciendo muy bajas pérdidas de carga (10 a 20 mm.c.a.).

4. Posibilidad de ser diseñados para un amplio rango de temperaturas de




operación, desde temperatura ambiente hasta unos 500 ºC.

5. Capacidad para recogida del sólido depurado tanto seca, como por vía

húmeda.

6. Bajo coste de operación, excepto para casos de muy alta eficacia.

Desventajas:

1. Alto coste de inversión.

2. No aplicables para la depuración en simultáneo de emisiones gaseosas.

3. No demasiado flexibles, una vez instalados, ante ciertos cambios en las

condiciones de operación (humedad, composición y temperatura del gas,

naturaleza de los sólidos).

4. Equipos de grandes dimensiones, con altas necesidades de espacio para

su

implantación.

5. Limitaciones de funcionamiento cuando operan con sólidos de muy alta

resistividad.

3.3 LAVADORES HÚMEDOS

Los colectores húmedos o "scrubbers", han logrado una significativa

aceptación como equipos de depuración, debido a su probada eficacia para

captar simultáneamente partículas y absorber gases contaminantes de una

corriente de gas. El principio de funcionamiento de estos equipos consiste

básicamente en poner en íntimo contacto la corriente de gas con un líquido

que, usualmente, es agua o una solución acuosa.

En un colector húmedo entran en juego varios mecanismos tales como el

impacto inercial, la interceptación directa, la difusión y la condensación,

además de fuerzas externas gravitatorias, centrífugas y electrostáticas.




Entre las ventajas que proporcionan estos equipos cabe citar que su

operación es simple, que pueden absorber simultáneamente gases

contaminantes, que reducen el peligro de fuego o explosión en el caso de

partículas inflamables o explosivas y, por último, que la inversión necesaria

es moderada al ser equipos muy compactos.

Foto 5. Funcionamiento lavador húmedo

Los inconvenientes principales que cabe citar son los elevados costes de

operación ocasionados por la pérdida de carga y el agua necesaria, el

enfriamiento del gas que reduce la flotabilidad en salida de chimenea, la

posible alteración de las propiedades del sólido y la exigencia de una planta

de tratamiento de lodos.




3.4 FILTRO DE MANGAS

La filtración a través de tejidos, papel o fieltro es, probablemente, el más

antiguo, simple y eficaz procedimiento de separación de polvo de una

corriente de gas. A escala industrial se emplea cuando las partículas a

eliminar son de pequeño tamaño, se requiere una gran eficacia y es

deseable recoger el polvo seco. Cuando son operados correctamente

alcanzan eficacias del 99,9% con pérdidas de carga de 50 a 150 mm.c.a.

La operación consiste básicamente en forzar el paso de la corriente de gas a

través del medio filtrante (tejido). El tejido produce un cierto efecto

filtrante, aunque su principal misión consiste en servir de soporte para la

capa de polvo (torta) que rápidamente se acumula sobre él. Capa de polvo

que es la responsable de la alta eficacia de filtración de partículas de

pequeño tamaño.




Foto 6. Funcionamiento filtro de mangas

A continuación se detalla las ventajas e inconvenientes que ofrecen los

filtros de manga como alternativa al control de emisiones procedentes de la

caldera:

Las principales ventajas de los filtros de tejido son:

1. Muy alta eficacia, incluso para partículas muy pequeñas.

2. Posibilidad de operar con una gran variedad de tipos de polvo.

3. Baja sensibilidad a variaciones en la carga de partículas.

4. Diseño modular con capacidad para operar en gran rango de caudales de

gas.

5. Pérdidas de carga no demasiado altas.




6. Las partículas se recogen secas facilitando su reprocesamiento o

eliminación final.

Por contra sus principales limitaciones son:

1. Gran necesidad de espacio para su implantación.

2. La vida útil del tejido puede ser demasiado corta cuando el polvo o el gas

son

fuertemente alcalinos ó ácidos y la temperatura elevada

3. Para temperaturas superiores a 275 ºC se requieren tejidos de material

refractario (filtros cerámicos) o metálico todavía en estado de desarrollo.

4. La condensación de humedad o la deposición de partículas de alquitrán o

brea pueden ocasionar la colmatación del filtro.

5. Concentraciones superiores a 50 g/cm3 de polvos fácilmente oxidables

suponen un peligro potencial de incendio o explosión.

Tras este análisis de opciones posibles, se selecciona la opción del filtro de

mangas ya que es la opción con mayores porcentajes de eliminación(un

buen diseño implicaría reducciones por encima del 99,9%), además de que

es muy flexible ante cambios en la carga, además de ser modular que

permite enfrentarse a un gran abanico de caudales de humos.

Por la contra, el principal inconveniente que posee que su temperatura de

operación máxima(275ºC) es inferior a la temperatura de salida de los

gases de la caldera(300ºC). Pero para ello se intercala un precalentador de

aire entre la salida de la caldera y la entrada del filtro de mangas,

asegurando que los humos se enfríen a una temperatura de 150ºC.




3.5 INTERCAMBIADOR

Lo clásico sería optar por un Ljungström, intercambiador de tipo

regenerativo, ya que sus ventajas se basan en que se procura utilizar la

energía restante de fuentes que ya han participado en el proceso de

generación de calor como son los gases de combustión, pero conservando

parte de la capacidad para incrementar la energía de la sustancia de

trabajo, en este caso el aire de combustión.

Aunque no están incluidos dentro de la termodinámica del ciclo, estos

aparatos mejoran la combustión de la caldera, disminuyendo el consumo de

combustible y por lo tanto mejorando la eficiencia térmica de la planta.

Los pre-calentadores de aire son intercambiadores de calor de tipo

regenerativo con movimiento del fluido a contracorriente o contra flujo, y se

clasifican en dos tipos de pre-calentadores de aire regenerativos conocidos

por el nombre de sus respectivos creadores: Rothemühle y Ljungström.

Ambos constan de una cesta que se expone alternativamente al flujo de aire

caliente y al flujo de aire frio, en el Rothemühle la cesta es fija y se mueven

los conductos de aire y en el Ljungström es la cesta quien gira

exponiéndose a uno y otro flujo. Es decir, en el Rothemühle, aire se calienta

a medida que fluye a través de la canasta, que ha obtenido la energía

térmica de los gases de escape. En cambio Ljungström, la parte de la cesta

expuesta a los gases calientes absorbe calor y luego se lo cede al aire frio.

En este caso, el calor no se transfiere a través de una placa o un tubo, sino

que es absorbido y cedido por la misma superficie.




Foto 7. Funcionamiento Ljungström 1

Por contra, estos equipos disponen de una serie de inconvenientes que

priman para optar por otro tipo de equipos:

Uno de los problema son las fugas de aire hacia el flujo de humos, debido a

la rotación, que exige siempre una holgura entre las partes móviles y fijas y

hace aumentar el caudal de aire requerido y es difícilmente controlable.

Además estos equipos requieren de un alto mantenimiento, por todo el

conjunto de partes móviles que dispone, aparte de ser equipos con unos

sistemas de control importantes para regular la velocidad del rotor para

asegurar en todo momento la temperatura de salida de los humos. Estas

razones hacen que este equipo sea inviable en muchas pequeñas industrias

ya que suelen ser sitios pocos tecnificados y no sería apropiado.

Por último también existe un riesgo de incendio ya que son equipos que

trabajan por motores eléctricos a altas temperaturas, con la posibilidad que

alguna chispa provoque algún incendio o explosión en la planta.

Estas razones hacen que el intercambiador elegido sea recuperativo, en los

que la transferencia de calor se verifica de forma directa y continua, a

través de la pared que separa los fluidos, lo que garantiza la permanente

separación de los flujos que intervienen en el proceso de intercambio

térmico.

Dentro de los precalentadores recuperativos, se clasifican según la

superficie de intercambio térmico esté conformada por:




Un determinado conjunto de tubos, cuya superficie global es la del

calentador de aire para el intercambio calorífico. La energía térmica

se transfiere desde los humos calientes que circulan por el interior de

los tubos, al aire que circula por su exterior.

Foto 8. Tres pasos de aire en contracorriente, humo en contracorriente

Un conjunto de placas paralelas que canalizan, por separado, los dos

fluidos que intervienen en el proceso. Estos calentadores constan de

baterías de chapas en paralelo y transfieren el calor, en flujos

cruzados, desde los humos calientes que fluyen por un lado de la

chapa, al aire frío que fluye por el otro lado. El sellado entre los flujos

de aire y humos se obtiene por soldadura de los bordes de las

chapas, o mediante una junta, muelle y compresión externa de las

baterías de chapas.




Foto 9. Intercambiador de placas humo ascendente

En esta imagen se puede observar como el flujo de gas neto procedente de

la caldera entra por abajo y sale por arriba para que en su movimiento

ascendente pueda desprenderse de partículas que serían recogidas en un

cenicero en la parte inferior del intercambiador. Esto hace que esas

partículas más gordas no entren al filtro de mangas y no puedan obstruir la

tela.




Foto 10. Montaje intercambiador de placas

Dentro de los intercambiadores recuperativos se elige el intercambiador de

placas frente al de tubos por una serie de ventajas:

Son más compactos: disponen de una superficie de intercambio muy

grande requiriendo menor espacio en planta.

Alto rendimiento térmico.

Seguros: ausencia de contaminación entre circuitos debido al sellado

independiente de ambos mediante las juntas de estanqueidad.

Livianos: Su diseño proporciona más fácil manipulación en planta,

embarque y seguridad de uso en la instalación.

Ensuciamiento mínimo: Debido a su diseño auto limpiante de las

placas.

Expansibilidad y durabilidad: Posibilidad de ampliación de placas para

el futuro incremento del rendimiento térmico en planta y renovación

de efectividad con el cambio de placas.

Fácil limpieza: permite una apertura y cierre fácil y rápido para

limpieza mecánica, lo que implica un menor gasto de operación.




DISEÑO FINAL

El diseño del filtro de manga y del intercambiador de placas, se basa en

simples balances de materia y energía, a partir del análisis elemental del

orujillo y de la capacidad de la caldera principalmente. Las reacciones

fundamentales que se producen en la combustión del orujillo son:

1)

2)

3)

La línea de funcionamiento será: para una base de 100 kg/h de orujillo,

vemos el caudal de vapor producido en la caldera, y extrapolamos con el

dato real de 12 toneladas/h de vapor producido, las diferentes magnitudes

que sean necesarias. Así pues:

A partir del análisis elemental del orujillo, con los pesos atómicos se obtiene

los kmol/h de cada elemento y con una base de 100kg/h tenemos:

Elemento Masa (kg/h) Moles(kmol/h)

Carbono 49,51 4,126

Hidrógeno 5,69 5,69

Azufre 0,1 3,125x10-3

Nitrógeno 1,18 0,084

Oxígeno 34,89* 2,18

A partir de la estequiometría de las reacciones se calcula el oxígeno

estequiométrico para determinar el caudal de aire necesario, además del

caudal volumétrico de gases de combustión.

Reacción estequiométrico

(kmol/h)

Gases producido (kmol/h)

1 4,126 4,126 ( )

2 1,4225 2,845 ( )

3 3,125x10^-3 3,125x10^-3( )




El oxígeno estequiométrico necesario procedente del aire será la suma de

los 3 valores anteriores menos la propia cantidad de oxígeno que viene en

el orujillo. Así pues:

estequiométrico(aire)= (4,126+1,4225+3,125x10-3)- 1,09=4,46 kmol/h

La relación de oxígeno en el aire es del 21%, por lo que se requiere 21,24

kmol/h de aire(16,78kmol/h de nitrógeno). Además por la ley de gases

ideales, 1 kmol equivalen a 22,4 m3, por lo que se halla el caudal

volumétrico de aire directamente:

Teniendo en cuenta que hay un 10% de oxígeno en los gases de salida y

que además la temperatura del aire es T(ºC), se calcula el caudal real de

aire:

Por otro lado, también es necesario calcular el caudal de gases tanto

volumétrico como másico, teniendo en cuenta que está formado por los

productos de las reacciones principales, además del nitrógeno y oxígeno sin

reaccionar:




Con los caudales másicos de orujillo y humos, y conociendo el poder

calorífico del orujillo(PCI=3900 kcal/kg),se puede calcular el caudal másico

de vapor correspondiente mediante un balance de energía en la caldera.

Se va a contemplar dos situaciones:

1) El aire que entra en la caldera entra a una temperatura ambiente de

30ºC

2) El aire que entra en la caldera es precalentado en un intercambiador de

placas con los humos de salida, que salen a unos 300ºC.De esta manera, se

aumenta el rendimiento energético de nuestra operación, traduciéndose en

un ahorro de combustible y por consiguiente, de humos a tratar.

El balance de energía de ambas situaciones se puede modelar de la

siguiente manera: el poder calorífico del combustible se utiliza en conseguir

el vapor a 16kg/cm2 a partir de agua líquida a 30ºC y para calentar los

gases de salida:

+ (1)

Donde para la situación 1:

PCI=3900 kcal/kg

=100 kg/h

= 30ºC

El término del aire se anula al entrar a 30ºC

= 1

es la temperatura correspondiente a los 16kg/cm2 que se

aproxima a 200ºC

entalpía de vaporización, 464,9 kcal/kg

= 1260,87 kg/h

= 0,24

es la temperatura de salida de los gases de combustión,

ºC

es la incógnita de nuestro balance




De aquí se obtiene que el caudal de vapor =478.81kg/h. Como en

realidad la caldera produce 12 toneladas/h de vapor, se obtiene el caudal

másico de orujillo de manera lineal.

Ya calculado, se puede hallar utilizando el mismo procedimiento anterior, el

caudal volumétrico de humos que será necesario para el diseño del filtro de

mangas. A ese caudal de orujillo le corresponden:

kg/h, que son 1080,32 kmol/h de humos.

Por la ley de los gases ideales y teniendo en cuenta que salen a

300ºC:

Antes de realizar el balance energético de la situación 2, es necesario

calcular a cuál temperatura sale el aire del pre-calentador mediante un

balance de energía en el mismo. Para ello, se debe establecer que los

humos salen a una temperatura lo suficientemente baja para que el filtro de

mangas posterior no tenga problemas de operación, la cual es 150ºC.

Donde***:

= 0,24

es la temperatura de entrada del fluido caliente, 300ºC

es la temperatura de salida del fluido caliente, 150ºC

es la temperatura de salida del fluido frío, incógnita

la temperatura de entrada del fluido frío, 30ºC




De la ecuación (2) resulta que el aire sale a =192ºC.

Ahora, ya se puede plantear el balance de energía (1) pero ahora todos los

términos estarán referidos a la nueva incógnita, que es el nuevo caudal de

combustible :

= 192ºC

El resto de términos permanecen inalterados.

Así pues, con estos valores, el consumo de combustible se ve reducido un

13% hasta 2180,34 kg/h. Al igual que antes, volvemos a calcular

el caudal volumétrico de gases que será necesario para el diseño del filtro

de mangas.

kg/h, que son 939,88 kmol/h de humos.

Por la ley de los gases ideales y teniendo en cuenta que salen a 300ºC:

La situación 2, la que el aire que utilizamos para refrigerar los humos, es

introducido a la caldera a 192ºC, nos permite un importante ahorro. Como

el precio del orujillo está aproximadamente a 0,05€/kg y que la planta

opera unas 8000 horas al año:

AHORROanual= (morujillo - m'orujillo) x 0,05x8000= 130348 €/año




4.1 DISEÑO INTERCAMBIADOR DE PLACAS

Una vez analizado lo que ocurre en la caldera, se procede a diseñar el

intercambiador de placas y el filtro de mangas.

El diseño térmico de los equipos de transferencia de calor hace uso

de los principios fundamentales de la Termodinámica, de la

Transferencia de calor y de la Mecánica de los Fluidos. Aquí solo se

presentan los principales resultados, de acuerdo a los Métodos de la

diferencia media logarítmica de temperaturas.

Para el precalentador, se utiliza una ecuación de diseño de

intercambiador de calor para calcular su área:

Donde:

Q : es el calor intercambiado en el intercambiador, en este caso

utilizaremos el calor cedido por el fluido caliente(igual que el ganado

por el fluido frío), kcal/h

U: coeficiente global de transmisión de calor, incluye los coeficientes

de convección y radiación, y los factores de ensuciamiento del lado

de los gases y del aire, siendo su valor del orden de 17-57 .

Se tomará 40

A: superficie de intercambio del intercambiador

F: Factor de corrección de intercambiadores de calor. Se asume un

valor de 0,9.

DTLM: diferencia de temperaturas logarítmica media

DTLM=

= 113,89 K

Para ambas situaciones, las temperaturas de entrada y salida del

fluido caliente(gases) son 300ºC y 150ºC respectivamente. Mientras

que la temperaturas de entrada y salida del fluido frío(aire) son 30ºC

y 192ºC respectivamente.

La diferencia entre ambas situaciones reside en el calor

intercambiado, que en la primera será mayor y por tanto requerirá

más área.




Siendo:

Resultando:

Verificándose que el área de la situación 1 es mayor que el área de

intercambio de la situación 2.

Buscando en el catálogo intercambiadores industriales de más de 300 m2

que puedan tratar más de 45000 m3/h de gases de combustión, que

soporte una temperatura de entrada de gases cercana a los 300ºC, no son

muy frecuentes que estén disponibles abiertamente en el mercado, suelen

ser encargos de la industria correspondiente.

Aun así el intercambiador "Concitherm CT-193" y el "REKULUVO" del

fabricante "GEA Heat Exchangers" cumple todos nuestros requisitos.




En cuanto al primer modelo sus dimensiones son:

Modelo Sup placa (m2)

Nºmax A (mm)

B (mm)

C (mm)

D (mm)

E (mm)

Longitud (mm)

CT-193 1,53 600 2565 1060 1720 570 360 1450-

4560

Vemos como el intercambiador puede llegar a ser de mayor 600m2 y sus

dimensiones características A,B,C,D,E y longitud mínima y máxima son:

Foto 11. Dimensiones intercambiador 1

En cuanto al otro modelo, "REKULUVO", es más industrial, cabe resaltar que

es un intercambiador de placas perforadas, trabajan prácticamente a vacío,

por lo que sus costes operacionales son muy altos y sus principales

características son:




Por tema económico, seleccionamos el primero ya que tanto su inversión

como sus costes de operación son bastantes más pequeños. El precio de

adquisición del "CT-193 del fabricante GEA" puede rondar los 10000€.




4.2 Diseño del filtro de mangas

Para el diseño del filtro de mangas, lo primero que hay que determinar es el

método de limpieza del mismo. Existen varios sistemas de limpieza que

pueden clasificarse en tres grandes grupos:

1. De flexión.

2. De aire inverso.

3. Por pulsos de aire a presión.

El primer grupo incluye los siguientes: por sacudidas mecánicas, por

oscilación y por ondas sonoras de baja frecuencia. Los sistemas más usados

pertenecientes al segundo grupo son los de chorro inverso y los de flujo

inverso de aire.

Los filtros con limpieza por sacudidas o por aire inverso han sido

ampliamente empleados durante muchos años y están siempre divididos en

varios compartimentos, uno de los cuales es aislado durante el proceso de

limpieza mientras que los demás continúan en operación.

Los filtros con limpieza por pulsos de aire a presión son equipos mucho más

recientes (desarrollados en los últimos 20 años) que representan en la

actualidad casi la mitad del mercado de la filtración de gases industrial.

Operan mediante filtración externa y consiguen la limpieza de las mangas

por efecto de pulsos de aire comprimido (a 6 ó 7 atm) de muy corta

duración (30-100 ms) que producen una onda de choque que flexa las

mangas y desprende el polvo depositado.

La principal ventaja de los filtros limpiados por pulsos de aire es que la

limpieza de las mangas se realiza sin parar el proceso de depuración de gas,

no siendo necesaria la compartimentación del equipo. Por ello

seleccionamos éste último método.

La elección de un tejido para una aplicación dada depende

fundamentalmente de los siguientes factores:

1) Temperatura del gas

2) Propiedades físicas y químicas del polvo

3) Composición química del gas

4) Contenido en humedad del gas.




5) Precio

A su vez, el tipo de tejido elegido condiciona, en gran parte, el método de

limpieza a utilizar. La tela seleccionada es de fibra de vidrio, ya que es

relativamente barata y cumple los requisitos anteriores, además de que es

compatible con el método de limpieza seleccionado.

El diseño de este tipo de filtro de mangas, sugiere la EPA, viene marcado

por la ecuación:

Donde:

V: velocidad de filtración, es la incógnita que se pretende hallar (ft/min)

A: Factor asociado al material del polvo a eliminar (Tabla 1.4)

B: Factor asociado al tipo de proceso de procedencia de los humos (Tabla

1.4)

T: Temperatura del gas. (ºF) Para temperaturas menores de 50ºF, se usará

este valor, y para temperaturas mayores de 275ºF, se usará este valor.

L: Carga del polvo a la entrada (gr/ft3). Para cargas menores de 0,05 se

usará L=0,05 y para cargas mayores de 100, se usará L=100.

D: Diámetro promedio de las partículas a tratar. El valor de D será 0,8 para

partículas menores a 3 μm, y de 1,2 para mayores de 100 μm.

De la tabla 1.4, se busca el material del polvo a filtrar, en este caso cenizas

volantes de combustión de carbón pulverizado es el que mejor se asemeja

(Fly ashes) cuyo valor asociado es A=9.

De la misma tabla, como el proceso anterior es una combustión en una

caldera, el factor asociado (Product collection) B=0,9.

La temperatura de trabajo es 150ºC que su equivalencia a grados

Fahrenheit T=302ºF, como es mayor que 275, se toma este último valor.

T= 275

La carga de polvo a la entrada máxima a tratar son 700 mg/Nm3 que

debemos pasar a las unidades anglosajonas grano entre pie cúbico.




La equivalencia es L=0,146 gr/ft3.

Como el 80% de las partículas tienen un diámetro menor de 3 μm, el valor

de D=0,8.

Así pues, con estos valores, resulta un valor de la velocidad de filtración de

V=5,134 ft/min.

Para hallar el área del filtro de mangas, basta con dividir el caudal

volumétrico de gases entre la velocidad de filtración recientemente

calculada.

Situación Caudal volumétrico ft3/min

Área del filtro ft2

1 27333,38 5324

2 25981,87 5060,75

Para no quedarse justos y ante posibles cambios de la carga, se selecciona

un filtro con 5500 ft2.

PRECIOS DE FILTRO

La inversión del filtro de mangas es la suma del coste de una serie de

términos como el equipo, la tela, equipos auxiliares, instrumentos y equipos

de control, impuestos y otros conceptos.

Para hallar el precio de inversión del equipo, nos vamos a la correlación del

filtro de mangas limpiado por pulsos de aire a presión. De la figura 1.8:

De esta ecuación nos sale P=13,306 , por lo que la inversión sería de

13306$1998. Este precio debe ser multiplicado por un factor de actualización

que lo lleve a un precio actual.

A partir de los índices de coste de Marshall and Swift que publica la revista

de "Chemical Engineering" para el coste de equipos, y por regresión lineal

se obtiene el factor de actualización 2014. El 1998 ya viene publicado y no

hace falta calcularlo:




Año Índice Año Índice Año Índice Año Índice Año Índice

1963 100,5 1966 105,3 1969 116,6 1972 135,4 1975 194,7

1964 101,2 1967 107,7 1970 123,8 1973 141,8 1976 205,8

1965 102,1 1968 109,9 1971 130,4 1974 171,2 1977 220,9

Año Índice Año Índice Año Índice Año Índice Año Índice

1978 240,3 1983 336 1988 372,7 1993 391,3 1998 436

1979 264,7 1984 344 1989 391 1994 406,9 1999 435,5

1980 292,6 1985 347,2 1990 392,2 1995 427,3 2000 438

1981 323,9 1986 336,2 1991 396,9 1996 427,4 ------ -------

1982 336,2 1987 343,9 1992 392,2 1997 433,2 ------ -------

La regresión lineal Y=a+bX, (siendo y:índice; x:año) da como resultado:

por lo que resulta los siguientes índices de coste:

La inversión en 2014 del equipo será:

Los precios de la tela viene marcada por el material de la misma, su

diámetro el método de limpieza del filtro y el tamaño del mismo. La tela que

hemos elegido es de fibra de vidrio con un diámetro de 20 cm (de 6 a 8

pulgadas) Así pues de la tabla 1.8:

Esta misma tabla indica que los precios en la actualidad han podido variar

hasta un 10%. Para el diseño tomamos ese valor máximo quedando:

En conceptos como equipos auxiliares, instrumentación, equipos de control,

impuestos y otros, el precio total de compra del filtro puede ascender hasta

un 120%


NORMATIVA APLICADA

Como instalación de combustión de potencia menor de 50 MW, en materia

de emisiones de la atmósfera se debe cumplir las siguientes leyes:

NORMATIVA GENERAL MEDIOAMBIENTAL

REAL DECRETO 393/2007, de 23 de marzo, por el que se aprueba

la Norma Básica de Autoprotección de los centros, establecimientos y

dependencias dedicados a actividades que puedan dar origen a

situaciones de emergencia.

LEY 7/2007 DE GESTIÓN INTEGRADA DE LA CALIDAD AMBIENTAL

(GICA)

LEY 26/2007 DE RESPONSABLIDAD AMBIENTAL

RD LEGISLATIVO 1/2008 que aprueba el texto refundido de la ley

de Evaluación de Impacto Ambiental en Proyectos.

DECRETO 356/2010 regula la autorización ambiental unificada.

DECRETO 5/2012, de 17/01/2012, Se regula la autorización

ambiental integrada y se modifica el Decreto 356/2010, de 3 de

agosto, por el que se regula la autorización ambiental unificada

REAL DECRETO-LEY 17/2012, de 04/05/2012, De medidas

urgentes en materia de medio ambiente.


Ley 11/2012 sobre medidas urgentes en materia de medio

ambiente (modificaciones varias)

Ley 21/2013, de 9 de diciembre, de evaluación ambiental.

Ley 11/2014 que modifica la Ley 23/2007 de Responsabilidad

Ambiental

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA :

A) Comunitaria

Reglamento (CE) Nº 3093/1994, del Consejo de 15 de diciembre,

relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono.

Reglamento (CE) Nº 2037/2000 del Parlamento Europeo y del

Consejo de 29 de junio de 2000 sobre las sustancias que agotan la

capa de ozono.

B) NACIONAL

LEY 34/2007 de calidad del aire.

RD 100/2011 que actualiza el catalogo de actividades

potencialmente contaminadoras de la atmósfera.

RD 102/2011 relativo a la mejora de la calidad del aire.


REAL DECRETO 815/2013, de 18 de octubre, por el que se

aprueba el reglamento de emisiones industriales.

RD 117/2003 limita emisiones de Cov debido al uso de

disolventes.

Real Decreto 678/2014, de 1 de agosto, por el que se modifica

el Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de

la calidad del aire.

ORDEN DE 18 DE OCTUBRE DE 1976 del ministerio de industria

sobre prevención y corrección de la contaminación atmosférica

industrial.

RD 1800/95 establecen nuevas normas sobre limitación de las

emisiones a la atmósfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de grandes instalaciones de combustión.

RD 430/2004 sobre nuevas normas sobre limitación de

emisiones a la atmósfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de grandes instalaciones de combustión... y refinerías

de petróleo.

C) ANDALUCIA

Orden, de 23 de febrero de 1996, que desarrolla el Decreto

74/1996 por el que se aprueba el Reglamento de Calidad del aire,

en materia de medición, evaluación y valoración.

ORDEN de 12 de febrero de 1998, por la que se establecen

límites de emisión a la atmósfera de determinados agentes


contaminantes procedentes de las instalaciones de combustión de

biomasa sólida.

ORDEN de 22 de octubre de 2004, por la que se aprueban los

modelos de pago fraccionado a cuenta y de declaración-liquidación

anual del impuesto sobre emisión de gases a la atmósfera, y se

determina el lugar de pago.

ORDEN de 22 de octubre de 2004, por la que se regula la

declaración de comienzo, modificación y cese de las actividades

que determinen la sujeción al impuesto sobre emisión de gases a

la atmósfera.

ORDEN de 2005 q establece modelos de NOTIFICACIÓN anual

de emisiones de las empresas afectadas por ley 16/2002

Decreto 239/2011, de 12 de julio, por el que se regula la

calidad del medio ambiente atmosférico y se crea el Registro de

Sistemas de Evaluación de la Calidad del Aire en Andalucía.

A continuación adjunto la orden de 12 de Febrero de 1998 en la que la

Consejería de Medio Ambiente de Andalucía establece los límites de emisión

a la atmósfera de determinados agentes contaminantes procedentes de

instalaciones de combustión de biomasa sólida, que son en los que se ha

basado este trabajo:

" ORDEN de 12 de febrero de 1998, por la que se establecen límites de

emisión a la atmósfera de determinados agentes contaminantes

procedentes de las instalaciones de combustión de biomasa sólida.

El Decreto 833/75, de 6 de febrero, por el que se desarrolla la Ley 38/1972,

de 22 de diciembre, de protección del ambiente atmosférico, establece en

su Anexo IV los valores límites que, con carácter general, no deberán

superar las emisiones de humos, polvos, hollines, gases y vapores


contaminantes procedentes de las principales actividades industriales

potencialmente contaminadoras, cualquiera que sea su localización.

El epígrafe 2 del citado Anexo IV recoge los límites de emisión para

instalaciones de combustión industrial, pero solo con respecto a la

utilización de carbón o fuel-oíl como combustibles.

Desde hace bastantes años, se ha venido generalizando la utilización de

ciertos tipos de biomasa sólida como combustible. En concreto, y de gran

importancia en el caso andaluz, se ha aprovechado el orujillo, residuo sólido

procedente de la extracción del aceite del orujo de las almazaras. Este

orujillo, o bien el hueso, constituye un magnífico combustible que se está

utilizando en numerosas instalaciones de combustión en Andalucía,

fundamentalmente hornos, calderas y secaderos.

Desde una óptica puramente ambiental, hay varios aspectos positivos a

destacar. El primero de ellos consiste en que se ha realizado la valorización

de un residuo. El segundo consiste en que, al contrario que en el caso del

carbón y el fuel-oil, las emisiones de dióxido de azufre son prácticamente

inexistentes en la combustión de biomasa sólida. Como tercer aspecto

ambiental a considerar hay que citar el enorme beneficio que las nuevas

tecnologías han traído consigo, como es la práctica eliminación de uno de

los mayores problemas de contaminación que ha padecido Andalucía,

consistente en el vertido de ingentes cantidades de alpechín a nuestros ríos.

Sin embargo, hay un aspecto negativo, ya que la concentración de

partículas sólidas en los gases de combustión sí puede llegar a alcanzar

valores del mismo orden, e incluso superiores, al caso del carbón. En

efecto, la generación de orujos procedentes de sistemas de obtención de

aceite de oliva mediante tecnología de dos fases, ha implicado un

significativo incremento en el vertido de partículas a la atmósfera en las

operaciones de procesado y posterior combustión. Debe considerarse que la

mayoría de las instalaciones que utilizan este combustible son de pequeño

volumen, por lo que la adopción de ciertos sistemas de reducción de las

emisiones de partículas no resulta económicamente viable. Adicionalmente,

el reducido tamaño de las instalaciones implica que la emisión neta

de partículas tampoco sea muy elevada.


El propósito de la presente regulación es el establecimiento de unos valores

límite de emisión a la atmósfera de determinados agentes contaminantes en

la combustión de biomasa sólida, teniendo en cuenta una visión integral del

problema, es decir, su repercusión global sobre los distintos medios que

puedan resultar afectados. Para ello, hay que considerar la no penalización,

con respecto a la combustión del carbón, de estos tipos de combustibles,

cuyas consecuencias sobre el medio hídrico, sobre la generación de

residuos, y en gran medida sobre las emisiones de algunas sustancias a la

atmósfera, son indudablemente beneficiosas.

Por último, y en lo que respecta a la Comunidad Autónoma de Andalucía, en

el ejercicio de sus competencias para dictar medidas adicionales de

protección del medio ambiente atmosférico, puede establecer nuevos

niveles más rigurosos de emisión de contaminantes para determinadas

empresas o sectores.

Así lo establecen los artículos 3 y 4 del Reglamento de Calidad del Aire,

aprobado por Decreto 74/1996, de 20 de febrero. En este caso, y habida

cuenta que la presente regulación supone una actuación tendente a regular

niveles de emisión de actividades no especificadas en el Anexo IV del

Decreto 833/1975, el artículo 46.3 de la norma citada dispone que «los

límites de las emisiones a la atmósfera de otros contaminantes y otras

actividades no especificadas en el Anexo IV de este Decreto serán

establecidos en cada caso particular por el Ministerio competente por razón

de la actividad, previo informe de la Organización Sindical». En

consecuencia, tras la debida interpretación analógica del precepto, podemos

concluir que es el Consejero de Medio Ambiente quien, mediante Orden,

puede fijar niveles de emisión del sector de empresas que llevan a cabo

combustión de biomasa, los cuales no serán necesariamente más estrictos

que los del punto 27 del ya tantas veces mencionado Decreto 833/1975.

En su virtud, esta Consejería de Medio Ambiente ha tenido a bien disponer:

Artículo 1. La presente Orden tiene como objeto establecer los valores

límites de emisión a la atmósfera para aquellas instalaciones de combustión

que utilizan cualquier tipo de biomasa sólida como combustible.


Artículo 2. Se establecen en el Anexo de la presente Orden los límites de

emisión de contaminantes que serán de aplicación para aquellas

instalaciones en que se verifiquen procesos de combustión de potencia

térmica inferior a 50 Mw.

Artículo 3. En caso de que la aplicación de los límites especificados en el

Anexo de la presente Orden tuviesen como resultado la superación de los

niveles máximos de inmisión aplicables, podrán proponerse niveles de

emisión más rigurosos para aquellas actividades ubicadas en la zona

afectada o, aunque se encuentren fuera de dicha zona, sus emisiones sean

responsables o contribuyan significativamente a dichas superaciones.

Artículo 4. Cuando las condiciones económicas y el avance tecnológico así lo

permitan, podrá proponerse que, con respecto a aquellas instalaciones que

use biomasa sólida como combustible, se establezcan límites de emisión

más estrictos que los señalados en el Anexo.

Artículo 5. Los titulares de instalaciones que usen biomasa sólida como

combustible las mantendrán en perfecto estado de conservación y limpieza,

con objeto de minimizar las emisiones, tanto canalizadas como fugitivas, de

partículas a la atmósfera. Los dispositivos de eliminación de partículas,

cuando existan, tendrán como finalidad principal, independientemente de

consideraciones económicas de aprovechamiento de materia prima, la

minimización de las partículas vertidas a la atmósfera. A estos efectos, toda

nueva instalación que queme biomasa sólida justificar• técnicamente que

ha sido concebida teniendo en cuenta dicho aspecto".

LÍMITES DE EMISIÓN DE LAS INSTALACIONES QUE UTILIZAN BIOMASA

SÓLIDA COMO COMBUSTIBLE

Potencia térmica (Mw):

Pt

Partículas:(mg/Nm3) Monóxido de Carbono

(ppmv)

0<Pt≤10 400 1445

10<Pt≤30 300 1445

30<Pt≤10 200 1445


En el mayor de los dos supuestos, la potencia térmica de la caldera es :

Por lo que a nuestro sistema le corresponde cumplir unas emisiones más

restrictivas que las mencionadas en la primera fila de la tabla anterior.


CONCLUSIONES

El aplicar un filtro de mangas después de la caldera es el sistema más

efectivo para reducir la problemática de la engente cantidad de partículas

que emiten estas calderas alimentadas con orujillo, frecuentes en la

industria aceitunera, debido a sus grandes ventajas como:

- Facilidad de transporte hasta su punto de consumo, por su humedad,

granulometría y densidad.

- Buena reactividad, autoignición, estabilidad de llama y alto tiempo de

residencia para una combustión completa.

- Alto en Volátiles que favorece una llama viva y una transmisión de calor

por radiación alta en el hogar.

Así pues con este sistema de captación de partículas reducimos en un

99,9% dicha emisión quedándonos en valores de decenas de mg/Nm3muy

inferiores a los 400 mg/Nm3 que marca la ley, por lo que es muy flexible

ante cualquier aumento de la demanda o cambio en la composición del

orujillo.

El mayor problema de este sistema es que el filtro requiere trabajar a

temperaturas menores de 250ºC para que su funcionamiento sea óptimo,

por lo que requiere una importante inversión en un equipo que reduzca la

temperatura de los gases de salida de la caldera, unos 300ºC. Se selecciona

el intercambiador de placas por sus bajos costes de operación y su

fiabilidad para conseguir la temperatura deseada ante cambios como el de

caudal de gases.

Así pues, con este método, se podría incrementar el porcentaje de

autoconsumo de orujillo en las plantas aceituneras que disponen de

extractoras que generen orujillo(en torno al 80% de las extractoras), que

actualmente se encuentra en torno al 50%, y poder así aumentar el

rendimiento de la planta y ser más autosuficientes.

En la actualidad, el orujillo que no se autoconsume en la planta, la mayoría

se destina a las plantas de cogeneración eléctrica, mientras que el resto se

suele exportar a otros países.

Para las plantas de cogeneración el orujillo se transforma en combustible

gaseoso. Sin embargo, las tecnologías utilizadas para esta transformación

se encuentran actualmente en fase de I+D con el fin de reducir costes. Su

transformación a un combustible gaseoso mediante procesos termoquímicos

(gasificación) hace que sea posible su uso en turbinas de gas, lo que

permite el uso de un ciclo combinado para la generación de electricidad, el

cual posee un mayor rendimiento en la conversión de energía que un ciclo

simple de vapor.


Documents

tfg control de emisiones en una caldera de vapor