Planta de combustión de carbón en lecho fluidizado

INDICE

• Indice Pag 2

• Objetivos del proyecto Pag 3

• Proceso de Fluidización Pag 4

• Balances de Materia Pag 5

• Dimensionado de la soplante Pag 14

• Dimensionado del combustor del lecho fluidizado Pag 17

• Conclusiones Pag 18

• Analisis Económico del proyecto Pag 20

• Bibliografía Pag 22

• ANEXO I Pag 23

• ANEXO II Pag 24

• ANEXO III Pag 25

PROYECTO

Planta de combustión de carbón en lecho fluidizado

• Objetivos del Proyecto

• Diagrama de flujo de la instalación, con indicación de flujos y condiciones de operación.

• Tabla de flujo de componentes y flujos totales.

• Concentraciones de Oxigeno, monóxido de Carbono y Dióxido de Carbono en los humos.

• Coeficientes de exceso de aire.

• Emisiones de cenizas y carbono inquemado en los humos.

• Dimensionado de la soplante.

• Dimensionado del combustor de lecho fluidizado.

• Cálculos justificativos.

• Análisis económico del proyecto.

En el trabajo que presentamos a continuación, trata sobre el estudio matématico de una planta de combustión de carbón. Es conveniente generar primero la planta de forma matemática, de forma que se pueda investigar las distintas condiciones de operación sin correr riesgos a la hora de la construcción y manipulación de la planta en sí.

3

PROCESO DE FLUIDIZACIÓN

Imaginemos un lecho fluido dispuesto sobre una superficie porosa. Si un flujo de aire desde abajo tiene la suficiente presión, mantendrá las partículas del lecho en suspensión. Ester es un lecho fluido, donde las partículas del mismo están en suspensión, pero no en circulación. El residuo se inyecta dentro del lecho en torno del sólido de manera uniforme. El aire que fluidiza al lecho se calienta hasta la temperatura de ignición del residuo y este se empieza a quemar (oxidar) dentro del lecho. La mayor parte de las cenizas permanece en el lecho, pero luego sale de la incineradora a través del equipo de control de la contaminación del aire. El calor que sube con los gases de combustión puede capturarse en una caldera o utilizarse para precalentar el aire de combustión. Una buena combustión requiere aire en exceso.

Tenemos como combustible carbón vegetal, y en la combustión va a emitir dióxido de azufre, óxido de carbono y partículas en suspensión.

Cuando la central utiliza carbón como combustible, hecho que ocurre en centrales pequeñas, se requiere carbón de bajo contenido en azufre para limitar las emisiones de Dióxido de azufre a la atmósfera.

Una buena combustión representa una buena oxidación de los componentes orgánicos: carbono e hidrógeno. Para conseguirlo, el aire, que contiene solo el 21% de Oxígeno en volumen, debe mezclarse perfectamente con el carbono y el hidrógeno del combustible. En un proceso homogéneo como este se requiere Tiempo, Turbulencia y Temperatura. Si se disminuye uno de estos tres factores debe de aumentarse los otros dos para conseguir igual grado de combustión.

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BALANCES DE MATERIA

FLUJOS DEL PROCESO
Flujo del Combustible	100 kg/h
Rechazo en el Ciclón	5 kg/h
Rechazo en el Filtro	3 kg/h

ANALISIS DEL COMBUSTIBLE
Fracción Másica de C	0.6
Fracción Másica de N	0.05
Fracción Másica de H	0.1
Fracción Másica de S	0.003
Fracción Másica de Cenizas	0.1
Fracción Másica de O	0.147

Componente	% Peso	Nº Kmoles
C	60	4.995
N	5	0.356
H	10	9.922
S	0.3	0.009
O	14.7	0.459
Cenizas	10	-

Al principio suponemos que todo el C que introducimos en el combustor pasa a
. Así hacemos las reacciones que se producen dentro del combustor. En la siguiente tabla hallamos estequiometricamente los moles de producto y de
que se generan en cada reacción. Ver ANEXO I para las corrientes.

REACCION	Kilomoles de	Kilomoles de Producto
	4.995	4.995
	0.357	0.357
	9.35E-03	9.35E-03
	2.480	4.961
TOTAL	7.842	10.322

5

Para hallar todo los kilomoles de oxigeno teóricos restamos los que hemos obtenido ahora de los que ya teníamos antes para saber los que realmente teóricos tenemos.

Kmoles de

Ahora que ya sabemos los kilomoles de
que tenemos sabemos que en aire hay una proporción de 79 % de
y un 21% de
podemos saber los kilomoles de aire y de
.

7.373 kilomoles de
*
= 35.156 Kmoles de aire teóricos

35.156 Kilomoles de Aire *
= 27.773 Kmoles
en aire.

Sumamos ahora los kilomoles de producto mas los de
para ver los totales en los humos:

27.733 + 10.322 = 38.095 Kmoles/Hora en los humos.

Pasamos estos a litros, luego a metros cúbicos:

PV=nRT

V=38.095 * 0.082 * 273.15/1 = 853.274 litros = 0.853 m3

Con la gráfica que viene en el guión nos quedamos con un 35 % de exceso de aire, 86´4 % de rendimiento, y con 1300 ppm de CO. El límite legal es de 1445 ppm para este tipo de industrias como veremos en el real decreto anexo posteriormente asi que estramos dentro de la legalidad con un rendimiento óptimo.

[CO] 1300 ppm. Esto equivale a que 1.3 litros es un metro cúbico, como sabemos cuantos metros cúbicos tenemos:

1.3 litros * 0.853 metros cúbicos / 1 metro cúbico = 1.109 litros de CO

Aplicamos otra vez PV=nRT

n=PV/RT = 1 * 1.109 /0.082 * 273.15 = 0.049 Kmoles/hora CO en humos.

Ahora volvemos a hacer todos los cálculos pero ya suponemos que el C que existe pasa a CO y a
. Así recalculamos todo hasta que los valores se repitan, lo que quiere decir que el resultado obtenido es el bueno.

REACCION	Kilomoles de	Kilomoles de Producto
	0.074	0.049
	4.946*	4.946
	0.357	0.357
	9.35E-03	9.35E-03
	2.480	4.961
TOTAL	7.817	10.322

*(4.995 - 0.049)

Para hallar todo los kilomoles de oxigeno teóricos restamos los que hemos obtenido ahora de los que ya teníamos antes para saber los que realmente teóricos tenemos.

Kmoles de

Ahora que ya sabemos los kilomoles de
que tenemos sabemos que en aire hay una proporción de 79 % de
y un 21% de
podemos saber los kilomoles de aire y de
.

7.358 kilomoles de
*
= 35.038 Kmoles de aire teóricos

35.038 Kilomoles de Aire *
= 27.679 Kmoles
en aire.

Sumamos ahora los kilomoles de producto mas los de
para ver los totales en los humos:

27.679 + 10.322 = 38.002 Kmoles/Hora en los humos.

Pasamos estos a litros, luego a metros cúbicos:

PV=nRT 7

V=38.002 * 0.082 * 273.15/1 = 851.185 litros = 0.851 m3

Con la gráfica que viene en el guión nos quedamos con un 86´4 % de rendimiento, y con 1300 ppm de CO. El límite legal es de 1445 ppm para este tipo de industrias como veremos en el real decreto anexo posteriormente asi que estramos dentro de la legalidad con un rendimiento óptimo.

[CO] 1300 ppm. Esto equivale a que 1.3 litros es un metro cúbico, como sabemos cuantos metros cúbicos tenemos:

1.3 litros * 0.851 metros cúbicos / 1 metro cúbico = 1.107 litros de CO

Aplicamos otra vez PV=nRT

n=PV/RT = 1 * 1.107 /0.082 * 273.15 = 0.049 Kmoles/hora CO en humos.

Como vemos se repite el valor anterior por lo tanto los cálculos son correctos.

P.M CO = 28.01

0.049 * 28.01 = 1.384 Kg/hora de CO

Ahora vemos los Kg. de C que hay en CO:

(12.011 Kg. C / 28.01 Kg. CO ) * 1.384 = 0.593 Kg. De C en CO

Tenemos 60 Kg. de C con un rendimiento del 86.4% así que se queman 51.84 Kg. De C y 8.16 Kg. Pasan sin quemar.

Resto los Kg. de C menos los de C que tengo en CO y me da 51.247 Kg. de C en
.

(44.009 Kg
/12.011 Kg C ) * 51.247 = 187.771 Kg.

(100/60 ) * 8.16 = 13.6 Kg. C sin quemar.

Coef. Exceso. Aire = 1.35 =

7.358 * 1.35 = 9.933 Kmol/hora

9.933 - 7.358 = 2.575 Kmol/hora
exceso

35.038 * 1.35 = 47.301 Kmol/hora aire reales.

27.679 * 1.35 = Kmol/hora
reales

Si se quemas el 100 % del carbón tendríamos:

4.995 - 0.049 = 4.946 Kmol/hora

8

4.946 * 44.009 = 217.668 Kg./hora

0.049 * 28.010 = 1.384 Kg./hora CO

0.357 * 46.004 = 16.419 Kg./hora

0.009 * 64.062 = 0.599 Kg./hora

4.961 * 18.015 = 89.368 Kg./hora

TOTAL = 325.438 Kg./hora gases

Mas 10 Kg. de cenizas

37.368 * 28.012 = 1046.741 Kg./hora

2.575 * 31.998 = 82.404 Kg./hora
exceso

Sumando todo nos da el flujo de la corriente B al 100% = 1464.584 Kg./hora

Pero como solo se quema el 86.4% de carbón pues hallamos la corriente que realmente pasa por B:

1464 * 0.864 = 1279 Kg/ hora de flujo por B

La corriente A si se quemase todo el Carbón:

9.933 * 31.998 = 317.824 Kg./hora

37.368 * 28.012 = 1046.741 Kg./hora

TOTAL = 1364.584 Kg./hora Aire por A

Pero como solo se quema el 86.4% de carbón pues hallamos la corriente que realmente pasa por A:

1364.584 * 0.864 = 1179 Kg./ hora Aire

El balance dice que A + G = B

La corriente G= 100 Kg/hora, por lo tanto cuadra la corriente B.

C= 5 Kg./hora

E = 3 Kg./hora

D = B - C = 1279 - 5 = 1274 Kg./hora

F= B -C - E = 1271 Kg./hora

9

10 Kg./hora de Cenizas * 0.864 = 8.64 Kg./hora Cenizas.

0.9 * 5 =4.5 Kg./hora Cenizas salen por C

0.88 * 3 = 2.64 Kg./hora Cenizas salen por E

8.64 - 4.5 - 2.64 = 1.5 Kg./hora Cenizas salen por F

13.6 Kg./hora Carbón sin quemar * 0.6 (Frac. Másica del C) = 8.16 Kg./hora de C en B

* 5 = 0.5 Kg./hora de C en C

0.12 * 3 = 0.36 Kg./hora de C en E

8.16 - 0.5 - 0.36 = 7.3 Kg./hora de C sin quemarse salen por F

Ahora ya nos limitamos a calcular todo el resto de números para completar el cuadro del balance, lo vemos corriente por corriente.

Corriente C:

0.6 * 0.1 = 0.06

0.05* 0.1 =0.005

0.1* 0.1 =0.01

0.003* 0.1 =0.0003

0.147* 0.1 =0.015

Donde el 0.1 corresponde a la fracción másica en el ciclón y los resultados a la fracción másica de C, N, H, S y O respectivamente.

Corriente E:

0.6 * 0.12 = 0.072

0.05* 0.12 =0.006

0.1* 0.12 =0.012

0.003* 0.12 =0.00036

0.147* 0.12 =0.018

Donde el 0.1 corresponde a la fracción másica en el filtro y los resultados a la fracción másica de C, N, H, S y O respectivamente.

Corriente B:

13.6 Kg Carbón dan 1279 Kg./hora de flujo en B.

10

13.6/1279 = 0.0106 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares:

0.0106 * 0.6

0.0106 * 0.05

0.0106 * 0.1

0.0106 * 0.003

0.0106 * 0.147

0.0106 * 0.10

Lo mismo hago para el
:

188.066 Kg.
/ 1279 = 0.147 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el

14.186 Kg.
/ 1279 = 0.011 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el CO

1.195 Kg. CO/ 1279 = 9.34E-04 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el
:

77.214 Kg.
/ 1279 = 0.061 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el
:

0.518 Kg.
/ 1279 = 4.05E-04 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el
:

904.384 Kg.
/ 1279 = 0.707 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Para el
:

71.197 Kg.
/ 1279 = 0.056 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

11

Para las Cenizas:

8.64 Kg. Cenizas/ 1279 = 6.75E-03 (cenizas del carbón que salen por los humos) + 0.0011 (cenizas del carbón que se pierden antes)= 7.81E-03 y este número lo multiplico por todas las fracciones molares.

Con todos estos datos ya somos capaces de construir el cuadro del balance:

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A	B	C	D	E	F	G	Fracción Másica
-	0.056	-	0.056	-	0.056	-	21%
			0.707				0.709		0.711		79 %
-	6.36E-03	0.06	6.41E-03	0.072	6.42E-03	0.6	C
-	5.30E-04	0.005	5.34E-04	0.006	5.55E-04	0.05	N
-	1.06E-03	0.01	1.07E-03	0.012	1.07E-03	0.1	H
-	3.18E-05	3.00E-04	3.20E-05	3.6E-04	3.21E-05	0.03	S
-	1.56E-03	0.0147	1.57E-03	0.018	1.57E-03	0.147	O
-	7.81E-03	0.9	7.85E-03	0.88	7.86E-03	0.10	Cenizas
-	0.147	-	0.148	-	0.148	-
-	9.37E-04	-	9.38E-04	-	9.40E-04	-
-	0.011	-	0.012	-	0.011	-
-	4.05E-04	-	4.06E-04	-	4.07E-04	-
-	0.061	-	0.06	-	0.06	-
1179	1279	5	1274	3	1271	100	Flujo Kg/h

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Dimensionado de la Soplante.

Para calcular la potencia de la soplante, empleamos un Bernoulli, entre el punto 1 y 2 marcado en ANEXO II.

Para ello suponemos: 1.- Codos cerrados 90º = 7 m.

2.- Tubería de acero lisa !  = 0.

(1 u12) / 2g + P1 / 1g + hp + z1 = (2 u22) / 2g + P2 / 2g + (hf)T + z2

u1 = u2 ! el término de velocidad se anula.

P1 = P2 = Patm = 1atm = 1.013 ·105 Pa.

z1 = 0m. z2 = 14m.

Consideramos que u1 = 20m/s.

Sabiendo que el caudal en nuestro caso es, Q = 1179 Kg/h = m,

Q = m /  ! Q = (1179/3600) / 0.409 = 0.8m3/s.

Q = u · s = u · /4 · D2; 0.8 · 4 = 20 ·  · D2 ! D = " (3.2 / 62.83) = 0.226 m.

Re20º C = D·u· /  = (0.226·20·1.2058) / (1.813·10-5) = 300618.64 > 4000 ! Turbulento.

 (aire, 20º C) = 1.2058 Kg/m3.

 (aire, 20º C) = 1.813·10-5 Kg/ms.

(hf)T = (hf) lecho + (hf) ciclón + (hf) placa + (hf) filtro + (hf) tuberías.

(hf) tuberías = [4f·(L + Leq) / D] · u2/2g.

Pérdida carga lecho.

Pb = Lmfg (1- mf) · ( p - g) = 2856.23 Pa.

Pb / g = 2856.23 / (0.409·9.8) = 712.59m de aire.

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 (aire, 600º C) = 0.409 Kg/m3.

Pérdida carga placa distribuidora.

Pd = [(Lf / Lmf) -1] · Pb = [(0.35/0.22) -1] · 2856.23 = 1687.78 Pa.

Pb / g = 1687.78 / (0.409·9.8) = 421.08m de aire.

Pérdia carga ciclón.

 (aire, 300º C) = 0.6164 Kg/m3.

Pc = 200 Pa = 200 / (0.6164·9.8) = 33.11m de aire.

Pérdida carga filtro.

Pf = 100 Pa = 1000 / (0.6164·9.8) = 165.54m de aire.

Pérdia carrga tuberías.

Re20º C = 300618.64 > 4000 ! Régimen turbulento.

4f = 0.316 / Re0.25 = 0.0135.

(hf) tubería (20º C) = 4f (L / D) · (u2 / 2g ) = 0.0135 · (4 / 0.226) · (400 / 19.6) = 4.88m.

Re300º C = (D·u·) /  = (0.226·20·0.6164) / (2.9276·10-5) = 95167.65 > 4000 ! turbulento.

 (aire, 300º C) = 0.6164 Kg/m3.

 (aire, 300º C) = 2.9276·10-5 Kg/ms.

4f = 0.316 / Re0.25 = 0.018.

(hf)tubería (300º C) = 4f (L +Leq) / D · (u2 / 2g).

Leq = 3·7 = 21m.

L = 13.5m.

(hf) tubería (300º C) = 0.018 (13.5 + 21) / 0.226 · (400 / 19.6) = 56.08m.

(hf)T = 712.59 + 421.08 + 33.11 + 165.54 + 4.88 + 56.08 = 1393.28m.

Acudimos a la eciación de Bernoulli:

(P1 / 1g) + hp = (P2 / 2g) + (hf)T + z2.

15

(1.013·105/1.2058·9.8) + hp = (1.013·105/0.6164·9.8) + 1393.28 + 14.

hp = 9604.3m aire.

W = hpmg = 9604.3 · (1179/3600)·9.8 = 30825 w = 41.91 cv = 30.83 Kw.

En vista de los resultados obtenidos y consultando la gráfica de la soplante, llegamos a las siguientes conclusiones:

Tenemos 2880m3/h de caudal; el mayor rendimiento máximo se obtiene al 44% del caudal máximo según la gráfica; por lo tanto necesitamos:

2880·1/0.44 y obtenemos 6545m3/h de caudal máximo de la soplante.

Para la altura, con esos mismos datos obtenemos 712.59m de altura de aire, siendo el 80% de la carga total !

la carga máxima será: 712.59·1/0.80 = 890.73m aire.

Como el rendimiento máximo se da cuando se utiliza el 44% de la carga máxima:

41.91 cv · 100/44 = 95.25cv.

16

Dimensionado del combustor de lecho fluidizado.

Sabemos que:

Q = 0.8m3/s = 2880m3/h.

Q = us·1/4· D2.

D = " Q·4 / us· = " 0.8·4 / 0.4· = 1.59m.

17

Conclusiones.

Una buena combustión requiere aire en exceso, ya que en las incineradoras éste sirve para controlar la temperatura, puesto que es capaz de absorber el calor de la reacción de combustión.

Una buena combustión representa una buena oxidación de los componentes orgánicos: carbono e Hidrógeno. Para conseguirlo, el aire que contiene sólo un 21% de oxígeno en volumen, debe mezclarse perfectamente con el carbono y el hidrógeno del combustible (residuo), para producir estequiometricamente dióxido de carbono y agua.

El aire, desgraciadamente, tiene un 79% de nitrógeno, que es inerte y entra en el proceso de combustión.

En un proceso homogéneo se requiere Tiempo, Turbulencia y Temperatura.

Si se disminuye uno de estos factores, deben aumentar los otros dos para conseguir el mismo grado de combustión completa.

Por eso, muy pocas reacciones de combustión son completas a la temperatura mínima teórica, o con la cantidad teórica de aire exactamente necesaria para proporcionar cantidades estequiométricas de oxígeno para el carbono e hidrógeno del combustible.

Cuando mejora la turbulencia (agitación) del reactor (quemador/incinerador) y aumenta el tiempo dado para que la reacción tenga lugar, disminuye la cantidad de aire en exceso (oxígeno) necesario en la reacción.

Si la combustión se compara con un triángulo isósceles, donde los tres lados son el tiempo, la temperatura y la turbulencia; la disminución de la longitud de uno de los lados requiere una compensación a través del aumento de los otros dos. ¡Esto es la combustión!.

Cuando la central utiliza carbón como combustible, hecho que ocurre en centrales pequeñas que abastecen plantas fabriles, se requiere el uso de carbón con muy bajo contenido de azufre para reducir a un mínimo la emisión de SO2.

Tenemos que tratar el carbón antes, ya que posee un porcentaje de humedad; con lo cual le consideramos ya seco.

El calor que sale con los gases de combustión puede capturarse en una caldera o utilizarse para precalentar el aire de combustión.

Para controlar la emisión de SO2 y de monóxido de carbono recurrimos al decreto 833/75, 6 de Febrero; desarrollo de la ley sobre protección del ambiente atmosférico 38/72. VER ANEXO III

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Emisión de SO2.

Par cualquier potencia y tanto para instalacionese existentes como nuevas: 2400mg/Nm3 para las instalaciones que quemen hulla o antracita. Para las que empleen lignito, el

límite de emisión máximo será de 6000mg/Nm3.Nosotros suponemos que usamos lignitos para estar dentro de la ley.

Emisión de CO.

El contenido en CO en los gases de combustión , para cualquier potencia y combustible, no será superior a 1445ppm., que equivale a dos gramos termia o 4.8·10-10 Kg/Joule.

19

Análisis económico del proyecto.

Kg de carbón = 35pts.

Kw/h que consume la soplante (100cv)

1cv = 0.763 Kw; el potencial de la soplante era de 100cv ! 73.6 Kw/h

Precio de la soplante: Ce = C·sn.

n = 0.8; s = 73,54 Kw; Ce = 13888·200 = 2.777.722 pts.

Precio del filtro: Ce = C·sn

n = 0.6; s = área en m2; C = 1000.

100 * 200 * 2.626 = 525.305 Ptas.

(nuestro filtro recubierto de hierro)

Metros de tubería de acero D = 0.25m ! metros totales de tubería requerida = 17.5m.

El 33% del carbón que introducimos lo sacamos como energía que vamos a vender a una industria.

Actualmente, están interesados en nuestro proyecto tres empresas reconcidas. En vista de las ofertas propuestas, elegiremos la que más nos convenga economicamente.

Sabemos que el poder calorífico del carbón (antracita) es: 32·106 J/Kg.

Como nosotros obtenemos un 86.4% de carbón quemado y tenemos 100 Kg/h !

32·106 J/Kg · 100 Kg/h · 0.864 = 2.7648·109 J/h.

Como el 33% del carbón que introducimos, lo sacamos como energía !

2.7648·109 J/h · 0.33 = 9.1238·108 J/h, siendo esta la energía producida por la planta.

Como w = J/s, obtenemos 253440 w de energía. Los watios que consume nuestra instalación son 70056 y nos dan 253440, restando obtenemos

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183384 w netos nuestros, es decir, 183.384 Kw.

Consultado en Iberdrola, el Kw/hora sale a 7.69 pesetas en tarifa de alta tensión.

183.384 * 7.69 = 1410.222 Pesetas que ganamos por hora.

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Bibliografía.

“Gestión de residuos tóxicos” .Michael Lagrega.

Ed. Mc Graw Hill.

“Ecología Industrial: Ingeniería Medioambiental Aplicada a la Industria y Empresa”. Mariano Seoane Calvo.

“Contaminación Atmosférica”. J. A. Del Giorgio.

“Todo sobre el Medioambiente”. J.J. Lavilla, Mª José Meneéndez.

“Fundamentos, Transferencia de Momento de Calor y Masa”. Welly.

“Ecoiuris. Normativa Medioambiental”. Ministerio de Industria y Energía.

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