1

CARACTERIZACION TÉRMICA DE LOS EQUIPOS CRITICOS DE LAS ÁREAS DE CALDERAS Y PULPA DE CARVAJAL PULPA Y PAPEL, PLANTA 2

BASADO EN MODELOS DE GESTIÓN INTEGRAL (MGIE).

HAROLD ENRIQUE ISAACS GUARIN

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2013

2

CARACTERIZACION TÉRMICA DE LOS EQUIPOS CRITICOS DE LAS ÁREAS DE CALDERAS Y PULPA DE CARVAJAL PULPA Y PAPEL, PLANTA 2

BASADO EN MODELOS DE GESTIÓN INTEGRAL (MGIE).

HAROLD ENRIQUE ISAACS GUARIN

Proyecto de Grado para optar el título de

INGENIERO MECÁNICO

Director JUAN RICARDO VIDAL MEDINA

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI

2013

3

Nota de Aceptación:

Aprobado por el comité de grado en cumplimiento por los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico CARLOS HERNAN APONTE Jurado DUCARDO LEON MOLINA Jurado

Santiago de Cali, 10 Diciembre de 2013

4

Dedico este trabajo primeramente a DIOS por hacerme quien soy y darme todo lo que tengo , a mi esposa Gina Marcela por su incondicional apoyo y entrega para salir adelante, a mis hijos Juan Jose y María Camila por su gran amor, a mi madre por ayudarme a formar como persona y ser integral con sus valores y principios, con su empuje, a mis hermanas por su apoyo, a mi padre que si estuviera presente estaría a mi lado diciéndome que no me rindiera nunca ante los diversos obstáculos de la vida. A mis compañeros y amigos quienes estuvieron cerca dándome ánimos para que este logro hoy sea una realidad, a todas las personas que estuvieron a mi lado infundiendo fuerzas para salir adelante después de tantos tropiezos. Gracias a todos por su infinito amor y paciencia.

5

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por darme la oportunidad y el empuje para salir adelante en lo que respecta a todo el proceso de formación profesional. A la empresa Carvajal Pulpa y Papel antes Propal S.A.Planta 2. Quien me ofreció todo su apoyo y vio formarme técnica y profesionalmente

A mi familia por su apoyo incondicional. A la Universidad Autónoma de Occidente por permitirme formarme a través del personal idóneo, integró y calificado. A mis profesores de los cuales me llevo muchos recuerdos y buenas enseñanzas. Al personal administrativo de la Universidad Autónoma de Occidente por tenerme presente desde el año 1991 hasta la fecha.

6

CONTENIDO

Pág. GLOSARIO

10

RESUMEN

13

INTRODUCCIÓN

14

1.OBJETIVOS 15 1.1.OBJETIVO GENERAL 15 1.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS 15

2. ANCEDENTES 16

3. MARCO REFERENCIA 17 3.1. MARCO TEÓRICO 17 3.1.1. Metodología a utilizar en la caracterización energética 17 3.2. Pasos a seguir en la caracterización 17

4. DESCRIPCIÓN SISTEMA TERMICO DE CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2

20

4.1 DIAGRAMA UNIFILAR SECCION CALDERA POTENCIA CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2.

21

5. DIAGRAMA DEL PROCESO PRODUCTIVO 23 5.1. PROCESO PRODUCTIVO DEL AREA DE CALDERA DE POTENCIA

24

5.2. DESCRIPCIÓN DEL AREA DE CALDERA

25

6. DESCRIPCION DEL TURBOGENERADOR 28

7

7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FIBRA PULPA 30 7.1. ALMACENAMIENTO DE BAGAZO 31 7.2. COCCION DEL BAGAZO 31 7.3. LAVADO DE PULPA

32

8. APLICACIÓN DEL CALIFICADOR DE LOS NIVELES DE MODELO DE GESTIÓN ENERGÉTICA

33

8.1. DETERMINACION DE LAS AREAS DE LA PLANTA CON MAYOR CONSUMO DE ENERGÍA EN LOS AÑOS 2010-2011-2012

35

8.2. CONSUMO PROMEDIO DE ENERGÍA EN KWH EN EL AÑO 2010

35

9. DETERMINACION DE LOS EQUIPOS ELECTRICOS CON ALTOCONSUMO EN AREAS DE CALDERAS Y PULPA

39

9.1. DETERMINACION DEL CONSUMO TERMICO EN LA SECCION DE CALDERAS Y PULPA

40

10. DIAGRAMAS DE PARETO DEL CONSUMO DE TURBINA, DIGESTOR Y LAVADORAS AÑO 2012

43

10.1. CONSUMO DE VAPOR EN LAVADORAS DE PULPA

44

11. ANÁLISIS DE CONSUMOS DE ENERGÍA Y PRODUCCIÓN EN EL TIEMPO

46

12. ANÁLISIS DE CONSUMO VS PRODUCCIÓN 49 12.1. CONSUMO Y COSTO DE VAPOR SECCION DE CALDERAS 51 12.2. CANTIDAD DE VAPOR PRODUCIDO AÑO 2012 SECCION DE CALDERAS

52

8

13. VALOR DEL KWH DE LA ENERGIA GENERADA EN AÑO 2012

54

14. CALCULO EFICIENCIA DE LA CALDERA DE LA CALDERA DE POTENCIA

56

14.1. EFICIENCIA DE LA CALDERA. (MÉTODO DIRECTO) 57 14.1.2. Datos del combustible

58

15. CÁLCULO DEL AIRE TEÓRICO O ESTEQUIOMETRICO 59 15.2. CÁLCULO DEL EXCESO DE AIRE EN GASES DE COMBUSTIÓN 61 15.3. CÁLCULO DEL AIRE CON EXCESO 61 15.4 CÁLCULO DE LOS GASES EN BASE SECA 62 15.5CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN

63

16. DETERMINACIÓN DE PERDIDAS DEBIDO AL HIDROGENO POR EVAPORACIÓN DE AGUA

64

16.1. PERDIDAS POR EVAPORACIÓN DEL AGUA DEBIDO A LA HUMEDAD DEL COMBUSTIBLE

64

16.2. CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN.

65

16.3. CONTINUACIÓN CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN

65

16.4. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN.

66

16.5. PÉRDIDAS POR RADIACIÓN DEL HORNO 66 16.6. PÉRDIDAS POR PURGA 66 16.7. CONDICIÓN DEL EQUIPO A ANALIZAR 70 16.8.CALCULO DE INDICE DE CONSUMO PARA EL COMBUSTIBLE DE LA CALDERA.

71

16.9. CALCULO DE LA EFICENCIA ACTUAL DE DIGESTOR 72 16.10. CALCULO DE LA EFICIENCIA TERMICA DE LAVADORA DE PULPA

73

17. RECOMENDACIONES 74

9

18. CONCLUSIONES

75

BIBLIOGRAFÍA 77

ANEXOS

79

10

LISTA DE CUADROS

Pág.

Cuadro 1. Tabla de datos Consumo de Energía Promedio 2010

35

Cuadro 2. Tabla de datos Consumo de Energía Promedio 2011

36

Cuadro 3. Tabla de datos consumo de energía promedio 2012

37

Cuadro 4. Datos de consumo de vapor en caldera año 2012

40

Cuadro 5. Datos de consumo de vapor en el turbogenerador año 2012

42

Cuadro 6. Tabla de datos.

46

Cuadro 7. Costo de vapor y la cantidad de vapor generado

53

Cuadro 8. Valor del KWH

55

Cuadro 9. Componentes del combustible

58

Cuadro 10. Componentes gases de chimenea

58

Cuadro 11. Masa atómica de los elementos

59

Cuadro 12. Cantidad de O2 para quemar combustible

60

Cuadro 13. Componentes de gases en chimenea

62

Cuadro 14. Perdidas en la caldera

67

Cuadro 15. Datos consumos de carbón vs eficiencia de la caldera

68

Cuadro 16. Condiciones del Equipo de a analizar

70

Cuadro 17. Canasta energética colombiana.

70

11

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Diagrama de bloques para caracterizar térmicamente.

18

Figura 2. Diagrama unifilar entrada de energía a calderas de la empresa CARVAJAL PULPA Y PAPEL Planta 2.

21

Figura 3. Diagrama del proceso productivo CARVAJAL PULPA Y PAPEL Planta 2.

23

Figura 4. Diagrama del proceso entrada de combustible a caldera de potencia.

24

Figura 5. Esquema caldera de potencia y sus equipos auxiliares.

26

Figura 6. Diagrama Generación de energía y distribución de vapor

28

Figura 7. Diagrama de componentes de la turbina marca Termodyne.

29

Figura 8. Diagrama de proceso de manipulación del bagazo

30

Figura 9. Resumen de la calificación por áreas utilizando el software de la energía.

34

Figura 10. Grafica Promedios de consumos 2010

35

Figura 11. Grafica Promedios de consumos de las áreas año 2011

36

Figura 12. Grafica Promedios de consumos de las áreas año 2012

37

Figura 13. Grafica Diagrama de Pareto motores eléctricos de Pulpa con mayor consumo

39

Figura 14. Grafica Diagrama de Pareto motores eléctricos de Caldera con mayor consumo

39

Figura 15. Grafica Diagrama de Pareto del vapor generado en la caldera

41

12

Figura 16. Grafica Diagrama de Pareto del vapor admisión de la turbina

43

Figura 17. Grafica Diagrama de Pareto del vapor extracción de la turbina

43

Figura 18. Grafica Diagrama de Pareto del vapor Exhosto de la turbina.

44

Figura 19. Grafica Diagrama de Pareto del vapor en lavadoras 44

Figura 20. Grafica Diagrama de Pareto del vapor a Digestor

45

Figura 21. Grafica Toneladas de papel fabricado vs energía en el tiempo

47

Figura 10 Gráfico Diagrama de consumo y producción (E vs P)

49

Figura 23. Gráfico Consumo y Costo de Vapor sección de calderas

51

Figura 24. Gráfico costo el kwh generado en la planta para poder producir una tonelada de papel

54

Figura 25. Gráfico Datos consumos de carbón vs eficiencia de la caldera

60

13

LISTA DE ANEXOS Pag.

Anexo A.Ficha técnica de la caldera de potencia planta 2. 84

Anexo B2. Ficha técnica de la turbina de vapor planta 2 85

Anexo C3. Ficha técnica de tubo digestor pulpa planta 2. 86

Anexo D. Ficha técnica de lavadoras de pulpa. 87

Anexo E. Calificador niveles de gestión energética en planeación. 88

Anexo F. Calificador niveles de gestión energética en gerencia 89

Anexo G7. Calificador niveles de gestión energética en producción y Operacion 90

Anexo H. Calificador niveles de gestión energética en mantenimiento. 91

Anexo I. Calificador niveles de gestión energética en mantenimiento (pag 2) 92

Anexo F. Calificador niveles de gestión energética en aseguramiento de la calidad 93

Anexo G. Calificador niveles de gestión energética en aseguramiento de la calidad (pag.2) 94

Anexo H. Calificador niveles de gestión energética en comercialización y compras. 95

Anexo I. Calificador niveles de gestión energética en comercialización y compras.(pag 2) 96

Anexo J Calificador niveles de gestión energética en gerencia 97

Anexo K. Calificador niveles de gestión energética en gestión ambiental. 98

Anexo L. Calificador niveles de gestión energética en sistemas de información. 99

Anexo LL. Calificación total promedio dentro de software de caracterización. 100

14

Anexo M. Esquema Caldera generadora de Vapor bajo Norma ASME PTC 4 101

Anexo N Esquema de balance cálculo de eficiencia en Caldera ASME PTC 4 102

15

GLOSARIO EFICIENCIA ENERGÉTICA: es la relación entre la energía aprovechada y la total utilizada en cualquier proceso de la cadena energética, dentro del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad vigente sobre medio ambiente y los recursos naturales renovables. CAÑA DE AZUCAR: materia prima empleada en la fabricación de papel. CARACTERIZACIÓN TÉRMICA: la Caracterización de Procesos consiste en identificar las características de los procesos en una organización, y está orientada a ser el primer paso para adoptar un enfoque basado en procesos, en el ámbito de un sistema de gestión de la calidad, identificando cuáles son los procesos que deben configurar ese sistema; es decir, qué procesos deben aparecer en la estructura de procesos del sistema. CALDERA DE POTENCIA: caldera (máquina), dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la atmosférica. Las calderas se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor.caldera tipo acuatubular de combustibles mixtos capacidad de 110 T/h. TURBINA: se denomina turbina al motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. FALLA: se refiere a la función del equipo o sistema y se define como el defecto material de una cosa que merma su resistencia, o como una desviación de lo esperado.

16

DAÑO O AVERÍA: se refiere a un elemento, pieza o componente y se define como algo que impide el funcionamiento normal de un equipo. MODO DE FALLA: hechos que de manera razonablemente posible puedan haber causado el estado de falla. CAUSA DE FALLA: se refiere a las causas que condujeron a que se presentara la falla. CONFIABILIDAD: probabilidad de que un equipo no falle, es decir, funcione satisfactoriamente dentro de los límites de desempeño establecidos. MANTENIBILIDAD: es la característica inherente de un elemento, asociada a su capacidad de ser recuperado para el servicio cuando se realiza la tarea de mantenimiento necesaria según se especifica. DISPONIBILIDAD: es la probabilidad de que un sistema, equipo o instalación se encuentre listo o en buen estado de funcionamiento siempre que se necesita. CULTURA ORGANIZACIONAL: son las condiciones de existencia y permanencia de los valores y pilares de la empresa, es medida con metas para cada área de la planta y grupos de toda la planta. DIAGRAMA DE FLUJO PRODUCTIVO: es el flujograma del proceso representado por las áreas de la planta donde se reflejan la distribución con valores de los flujos de vapor hacia cada consumidor. ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL: es el grupo de departamentos de cada área de la empresa, los cuales se desempeñan administrativamente para dar a conocer la visión y metas establecidas mediante el uso de los programas de calidad integral. Sistema de Gestión Integral de la Energía: Sus siglas SGIE

17

NIVEL ESTRATÉGICO: nivel donde se toman las decisiones globales de la empresa, que se relacionan con las direcciones básicas de la organización y la manera en que se utilizan los recursos. NIVEL TACTICO: son aquellos áreas de la organización que realizan el trabajo básico (la razón de ser de la empresa, mediante la cual cumple su función en la sociedad) directamente relacionadas con la producción de servicios y productos. Estas áreas aseguran las entradas de la producción, la transformación de las entradas en salidas, la distribución de las salidas y proporcionan un apoyo directo a las funciones de entrada, transformación y salidas manteniendo las máquinas en funcionamiento, haciendo inventarios de materias primas etc. NIVEL OPERATIVO: nivel en donde se ejecutan las acciones establecidas en el nivel táctico. PERSONAL CLAVE: personal que decide con su actuación el 80% del consumo o de la eficiencia energética de los procesos y equipos de la empresa.

18

RESUMEN

Carvajal Pulpa y Papel Planta 2, está ubicada en el departamento del valle del Cauca, su función principal es la la fabricación de papeles blancos y ecológicos utilizando el bagazo de la caña de azúcar. La caracterización energética hace parte del Sistema de Gestión Integral de la Energía SGIE, desarrollado por la Universidad Autónoma de Occidente UAO y la Universidad del Atlántico, en un proyecto de investigación financiado por la Unidad de Planeación Minero Energética de Colombia (UPME) y el Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología “Francisco José de Caldas” (COLCIENCIAS). En Carvajal Pulpa y Papel, no existe un modelo de gestión integral de la energía ni tampoco un proyecto para hacer una caracterización térmica aplicada a equipos críticos de las secciones de pulpa y calderas. Para la caracterización se utilizaran los datos de producción total de la planta, los datos de generación de vapor y energía de la sección de calderas, se harán las fichas técnicas con información de los equipos tomados como críticos y se analizara las eficiencias más importantes. Mediante la aplicación de la guía del modelo de gestión integral de la energía se obtendrán datos para análisis térmico, requerimientos energéticos para el proceso, consumos de vapor por secciones internas de la planta, pérdidas energéticas del sistema, eficiencia del proceso y costos de la energía térmica usada en el mismo. Palabras Claves: Papel, ecológico, bagazo, caña de azúcar, pulpa calderas, plantas, gestión integral, energía térmica

19

INTRODUCCIÓN Dentro de la estructura organizacional de Carvajal pulpa y papel, no hay un grupo o equipo de estudio que realice análisis energéticos por este motivo se toma la decisión de hacer una caracterización térmica de sus equipos dentro de las secciones de pulpa y calderas, tampoco existe un modelo de gestión integral de la energía para los equipos y sistemas de las mismas secciones de pulpa y calderas. Este trabajo permite identificar los cambios que se requieren hacer en la planta, para establecer un ahorro de energía térmica, analizando ciertas características técnicas de los equipos de las fases productivas de la sección de pulpa y calderas, con el desarrollo del proyecto se dará a conocer que tan eficiente está operando la planta y los equipos analizados. El desarrollo del Modelo de Gestión Integral de la Energía (MGIE), se basa en tres etapas: decisión estratégica, instalación y operación; el hacer una caracterización es la primera fase estratégica, con esta fase preliminar se dará un avance para que las jefaturas tengan como identificar metas de medición más concretas y confiables. Con el resultado obtenido de este trabajo, se pretende comprometer a la empresa para que conforme un equipo de control sobre estos consumos dentro de la secciones de calderas y pulpa y se revisara el comportamiento de estos indicadores.

20

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL Realizar la caracterización térmica de los equipos críticos de las áreas de calderas y pulpa de Carvajal pulpa y papel, planta 2 basado en modelos de gestión integral (mgie).

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aplicar el Modelo de Gestión Integral de la Energía (MGIE).para desarrollar una caracterización térmica. Recopilar los datos de consumo energético detallado por máquinas y

EQUIPOS. Analizar los datos de las gráficas de consumo energía térmica Vs. Productividad. Conocer la eficiencia térmica de la caldera de potencia, digestor y lavadora de pulpa, del área de caldera y pulpa. Analizar los resultados del estudio de cada área. Identificar equipos con alto consumo de energía dentro de las áreas de calderas y pulpa y analizarlos bajo la metodología del modelo de gestión de la energía. Proponer posibles soluciones de optimización energética térmica en los equipos principales de las áreas de calderas y pulpa.

21

2. ANTECEDENTES

En la empresa de Carvajal Pulpa y Papel planta 2 se trabaja bajo la aplicación de las normas corporativas internas y estándares internacionales, esto hace que cada sección de la empresa conozca cada una de estas normas desde las de seguridad, ambiéntales y de calidad. En Carvajal Pulpa y Papel están comprometidos con la protección del medio ambiente, partiendo de una materia prima renovable, sus sistemas de producción cada vez son más cuidadosos para los ecosistemas ya que sus productos fabricados son reciclables, las labores para el incremento de eficiencia dentro de los procesos de producción ,como ejemplo el incremento de producción de vapor en la caldera da como resultado la quema de más carbón y este en la última fase de extracción de gases hacia la chimenea ocasiona que se tenga más control y menos impacto para con el medio ambiente. Dentro de la planta, el bagazo es tratado en la fase de cocción y es enviado hacia la sección de pulpa; donde es convertido en celulosa blanca, en cuanto al manejo del carbón este es suministrado desde los patios, enviado hacia una trituradora, luego es enviado por transportadores hacia la tolva de carbón y de ahí en adelante es ingresado a la caldera para ser quemado en el hogar de la caldera por medio de una parrilla viajera. Existe en la empresa unos indicadores de energía eléctrica vs. Producción de papel; esto hace parte de la base para desarrollar el proyecto, igualmente se hace una estadística de los consumos de energía total de la planta en los años 2010, 2011,2012. Para esta industria, cuyos procesos y proyectos forman parte del uso eficiente de la energía es importante obtener la información suficiente para hacer una caracterización térmica, este paso se logra utilizando como base la guía de la implementación de sistemas de gestión integral de la energía, donde se puede establecer un diagnostico real de consumos eléctricos y térmicos de la planta.

22

3. MARCO REFERENCIAL

3.1. MARCO TEÓRICO 3.1.1. Metodología a utilizar en la caracterización energética. Dentro de la caracterización se evalúa cuáles son los puntos donde se podrán encontrar desviaciones dentro del consumo de energía, consumo de vapor y producciones de papel, todo en base al tiempo. Dentro de este esquema se hará uso de la guía de caracterización energética para los modelos de gestión integral de la energía, para aplicarlo luego a un desarrollo de una caracterización de tipo térmica. 3.2. Pasos a seguir en la caracterización Descripción general de la planta y sus diagramas de flujo

Descripción de las secciones de Calderas y Pulpa con sus diagramas de entradas y salidas.

Descripción de los equipos analizados ,Caldera ,Turbina ,Digestor y lavadora de pulpa Utilizar el calificador para la encuesta interna siguiendo el software de caracterización de la energía en las áreas involucradas. Reunir la información de los consumos de tipo eléctrico y térmico para las áreas de pulpa y calderas donde se encuentra cada equipo a caracterizar .Se tendrá un cuadro generalizado de la planta donde indica todo el consumo eléctrico total anualizado 2010 a 2012. Revisión de consumos de energía y vapor de las áreas de pulpa y calderas. Para este paso se tendrá un cuadro con el consumo eléctrico solo de estas áreas y su demanda de vapor.

23

Establecer del área, entre pulpa y calderas, cual es la de mayor consumo energético y dentro de estas áreas que equipo tiene un alto consumo de vapor. Estimar la eficiencia térmica de los equipos con mayor consumo de vapor Procesamiento de datos y análisis de resultado. Recomendaciones para la mejora de la eficiencia en planta de pulpa y calderas Figura 11. Diagrama de bloques para caracterizar térmicamente.

Descripción general de la planta y sus diagramas de flujo.

Descripción de las secciones de Calderas y Pulpa con sus diagramas de entradas y salidas.

Descripción de los equipos analizados, Caldera, Turbina, Digestor y lavadora de pulpa

24

Continuación Esquema de los puntos de caracterización térmica

Reunir información de consumos de tipo eléctrico para las áreas de pulpa y calderas

Revisión de consumos de energía y vapor de las áreas de pulpa y calderas

Revisar y analizar el consumo eléctrico y de vapor más alto dentro de los años 2010 a 2012

Estimar la eficiencia térmica de los equipos con mayor consumo de vapor

Procesamiento de datos y análisis de resultado, eficiencias térmicas

Recomendaciones para la mejora de la eficiencia en planta de pulpa y calderas

Utilizar el calificador para la encuesta interna siguiendo el software de caracterización de la energía en las áreas involucradas

25

4. DESCRIPCIÓN SISTEMA TERMICO DE CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2 La producción de energía térmica dentro de Carvajal Pulpa y Papel Planta 2 es suministrada por: Una Caldera de Potencia con una producción de vapor nominal de 110 t/h.

Una Caldera de Recuperación con una producción de vapor nominal de 34 t/h.

Un grupo de turbina y alternador con potencia de 13 KV.

El suministro de energía eléctrica de la empresa está conformado por: Un Transformador de potencia nominal de 15MVA, 115kV/13.2kV, ref.:

8101VTF. La distribución de energía eléctrica de la empresa se compone de: Tableros de distribución que se denominan VTBT, para los siguientes consumidores: Motores de una potencia de 103 a 230 KW. Transformadores de alumbrado. Tableros de contactores que se denominan VTCM , que alimentan: Los motores de una potencia igual o inferior a 86kW.

26

4.1 DIAGRAMA UNIFILAR SECCION CALDERA POTENCIA CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2. Figura 12. Diagrama unifilar entrada de energía a calderas de la empresa CARVAJAL PULPA Y PAPEL Planta 2.

Fuente: Diagrama suministro de energía a calderas de CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2. Santiago de Cali, 2011. 1 archivo de Computador

27

La figura 2, representa el suministro eléctrico hacia la sección de calderas de CARVAJAL PULPA Y PAPEL planta 2, contempla los transformadores asociados a todas las áreas de producción.

28

5. DIAGRAMA DEL PROCESO PRODUCTIVO

Carvajal Pulpa y Papel, es una empresa productora de papeles que utiliza como materia prima el bagazo de la caña de azúcar; cada una de las áreas de la planta contribuyen a la producción total de papel y están en continuo desarrollo para la innovación de nuevos productos. Figura 13. Diagrama del proceso productivo CARVAJAL PULPA Y PAPEL Planta 2.

Fuente: Diagrama MTS PROPAL S. A. Santiago de Cali, 2009. 1 archivo de Computador

29

La figura 3 muestra las áreas de producción de la empresa, detalladas por las secciones internas, relacionadas entre sí y de igual importancia dentro del proceso de producción de papel, a mencionar. Caldera de potencia y ciclo de recuperación.

Desmedulado, fibra apta, digestores ,pulpa café, blanqueó Máquina de papel. 5.1. PROCESO PRODUCTIVO DEL AREA DE CALDERA DE POTENCIA Figura 14. Diagrama del proceso entrada de combustible a caldera de potencia.

Fuente: Diagrama de Procesos alimentación de combustible, archivo de Computador. En la figura 4 se representa el manejo de carbón desde los patios y su distribución por medio de bandas hacia las bodegas, luego es transportado hacia la caldera de potencia.

Valle Cundi

Antioq

Patios de Carbón

8412N

8414N 8415N

8416NB 8417NB

8416NA 8417NA

84188419

Carbón Proveniente de las Minas

Mezcla de Carbón

TrituraciónDistribución de

Carbón

Alimentación de Carbón a la tolva

Carbón a la Caldera de Potencia

Material Ferroso

Separador Magnetico

COMBUSTIBLES SOLIDOS

A

B

30

5.2. DESCRIPCIÓN DEL AREA DE CALDERA La caldera es de tipo acuatubular, el hogar de la caldera está conformado por un conjunto de tuberías que se cierran entre ellas formando las paredes de agua; tiene una parrilla de lecho inclinado, un conjunto de tuberías de generación de vapor llamados tubos de Superheaters y tubos de banco principal. Las condiciones de operación de la caldera son: flujo de vapor sobrecalentado 110 t/h, presión de salida del vapor 65 bar, temperatura del vapor sobrecalentado de 320°C a 360°C. El vapor generado en la caldera es enviado a un turbogenerador Principal, turbina de bomba de agua alimentación, ventilador de tiro inducido en caldera de recuperación y a los consumidores de pulpa, cicló de recuperación y la máquina de papel. El proceso de manejo de vapor se divide en tres fases: fase de combustión fase de generación de vapor. fase de manejo de Cenizas y hollín producto de la combustión En la Generación de Vapor de la caldera se tiene los siguientes subsistemas y equipos: Dos domos, superior e inferior unidos con su banco de tuberías. Un economizador. Un conjunto de tubería de Superheaters primario. Un conjunto de tubería de Superheaters secundario. Cuatro sopladores retráctiles. Tres sopladores rotatorios (fuera de línea)

31

Una línea de tubería de inyección de químicos. Una línea de tubería de purgas continúa. Tres bombas de agua alimentación a las calderas. Un Equipo de atemperación del vapor. Tanque de purgas. En el esquema se observan la tolva de carbón, hogar de la caldera, parrilla, tuberías de banco principal, tuberías de Superheaters, separador mecánico, separador ciclónico, economizador, calentador de aire, precipitador, ventiladores de tiro forzado e inducido y la chimenea Figura 15. Esquema caldera de potencia y sus equipos auxiliares.

Fuente: Diagrama pantalla de Cuarto de control de la caldera de potencia archivo de Computador

32

La figura 6 enseña el corte lateral de la sección de caldera de potencia, donde se puede observar cada uno de los equipos auxiliares que conforman el grupo de la caldera de planta 2.

33

6. DESCRIPCION DEL TURBOGENERADOR El vapor de alta presión producido por la caldera es conducido por tuberías hasta el cabezal de alta presión. El vapor que llega al cabezal se distribuye a los diferentes usuarios a través de tuberías. En esta fase se proporciona el vapor a la presión y temperatura requeridos por los diferentes equipos de producción. Las etapas de la turbina están divididas en: Primera zona de alta presión y pasa a media presión. Segunda zona de media presión y pasa a baja presión. Tercera zona de baja presión.

Cuando ingresa el vapor hacia la turbina ,en su primera etapa el Vapor de alta entra a 62 bar de presión con una temperatura de 450 ° C, en la etapa de media presión es de 11 bar y su temperatura es de 270°C,en la tercera etapa está en 4 bar con la temperatura en 185°C.

Figura 16. Diagrama Generación de energía y distribución de vapor

Fuente: Diagrama de Procesos alimentación de combustible, archivo de Computador.

Entrada (Insumo - Materia Prima)

Etapas del Proceso

Salida (Producto)

CONVENCION

Vapor de Alta Presión 65 bar

Cabezal de AltaReductor

Generador

Cabezal de Media

Cabezal de Baja

Vapor de Media Presión a Evaporadores, Digestor, Caldera

de Recuperación, Caldera de Potencia

Vapor de Baja presión PM4, F/P/C, Evaporadores, Caldera de

Recuperación

13.2 Kv

Generación de Energía

Reducción de Presión

Obtención Vapor Media Presión 11 bar

Obtención Vapor Baja Presión 4 bar

Distribución de Energía a la Planta (PM4, F/P/C, Calderas,

Turbina

TK ACEITE

34

En la figura 6 se observa el turbogenerador como sistema de generación de energía y distribución de vapor, luego este vapor llega al cabezal principal y después se envía a los cabezales de media y baja presión para la distribución hacia los consumidores de las secciones internas de la planta. La figura 7 representa las partes de la turbina las cuales son gobernador, eje con rotor, bloque de toberas, diafragmas, válvulas de extracción y de admisión. Figura 17. Diagrama de componentes de la turbina marca Termodyne.

Fuente: Diagrama MTS PROPAL S. A. Santiago de Cali, 2009. 1 archivo de Computador

35

7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FIBRA PULPA Figura 18. Diagrama de proceso de manipulación del bagazo

Fuente: Diagrama MTS PROPAL S. A. Santiago de Cali, 2009. 1 archivo de Computador. La figura 8 muestra el manejo desde los patios donde llega el bagazo hasta el proceso de lavado y llegada al digestor. 7.1. ALMACENAMIENTO DE BAGAZO El Bagazo proveniente de los cinco ingenios con los que hay convenios (Cauca, Cabaña, Mayagüez, Providencia y Carmelita) es trasladado hacia la planta mediante tracto camiones bagaceros y es pesado y descargado en patios.

36

Este bagazo es almacenado a la intemperie y mezclado continuamente, posteriormente se escoge la zona de alimentación por donde se empieza a distribuir a través de rodillos tipo peine o pin feeders, y es distribuido sobre bandas transportadoras. Las bandas transportadoras llegan a la zona de desmedulado, donde el bagazo es agitado, golpeado y centrifugado por medio de líneas de desmeduladores, donde se extrae el polvillo, para después ser lavado y enviado a la sección de cocción. 7.2. COCCION DEL BAGAZO Durante el cocimiento de la fibra la lignina del bagazo se extrae con soda hasta desaparecer quedando solo la fibra, esto con el fin de que la pulpa no tenga un color café oscuro. Esta fibra apta se comprime en un tornillo alimentador (screw feeder) agregando soda, agua caliente y vapor. Durante este proceso de cocción la fibra es conducida por un grupo de tres tornillos sin fin o tubos digestores, este proceso involucra temperatura y presión de vapor constante, este vapor viaja por un colector que ingresa por cada tubo para compensar las pérdidas térmicas durante la cocción, estas líneas están provistas de línea de purga de condensado. En este tiempo de cocimiento se continúa agregando soda y algunos químicos como carbonatos, el producto final de la extracción de la lignina con más inyección de soda, hace que estas sustancias solubles sean el licor de cocción que como producto secundario o final se llama licor negro. Como resultado de la reacción de la soda y el bagazo se extrae el licor negro débil, este producto es enviado a la sección de evaporadores, donde se inicia el proceso de recuperación de soda, el restante es enviado nuevamente al proceso como licor de cocción.

37

7.3. LAVADO DE PULPA El proceso de lavado tiene como objetivo separar de la pulpa cocida el licor negro que la acompaña; además, la pulpa lavada es sometida a un proceso de selección y limpieza para luego ser almacenada en una torre o tanque. Además se hace una selección y limpieza de la pulpa, con un alto porcentaje de eficiencia obteniéndose un producto de alta calidad y apto para su posterior uso; por último en la fase de almacenamiento, la pulpa es espesada y almacenada a una alta consistencia para mantener un stock suficiente.

Pulpa Blanqueada

38

8. APLICACIÓN DEL CALIFICADOR DE LOS NIVELES DE MODELO DE GESTIÓN ENERGÉTICA

Para este procedimiento se debe de realizar las respectivas encuestas dentro del campo de estructuración y organigrama de la empresa Carvajal pulpa y papel.

Dentro del modelo de gestión Integral de la Energía existe un módulo que se encuentra habilitado en el software y este nos brinda la posibilidad de establecer una evaluación y obtener unos resultados de acuerdo al calificador el cual establece un promedio para cada área de la empresa, este software nos indica el puntaje más bajo hasta el más alto para ser puesto en cada una de las preguntas y así tener la calificación final, luego podemos ver el grafico que nos arroja el procedimiento por cada grupo de sección de la empresa este va desde el área de planeación hasta la de representación del gerente para la eficiencia térmica.

Estas áreas son:

Planeación. Gerencias. Producción. Mantenimiento Contabilidad. Gestión humana. Aseguramiento calidad. Comercial y compras Innovación y tecnología. Sistemas de información. Innovación. Gestión ambiental.

39

Gerencia de eficiencia térmica. Figura 19. Resumen de la calificación por áreas utilizando el software de la energía.

La figura 9, muestra el resultado final de la encuesta que se hizo a las secciones estratégicas de la planta, se observa que no hay un compromiso internamente establecido para realizar trabajos sobre el uso eficiente de la energía en cada una de las secciones.

40

8.1. DETERMINACION DE LAS AREAS DE LA PLANTA CON MAYOR CONSUMO DE ENERGÍA EN LOS AÑOS 2010-2011-2012 Se obtiene los datos de los consumos promedios basados en lecturas de los contadores de la planta para cada una de las áreas, de ahí se saca el consumo y su porcentaje establecido para cada una de las secciones de cada área. 8.2. CONSUMO PROMEDIO DE ENERGÍA EN KWH EN EL AÑO 2010 Cuadro 1. Tabla de datos Consumo de Energía Promedio 2010

CONSUMO DE ENERGIA PROMEDIO 2010

AREA CONSUMO TOTAL CONSUMO EN KWH PORCENTAJE CALDERAS 2.860.064 12.899.316 22% PULPA 3.084.877 12.899.316 24% MAQUINA 6.768.249 12.899.316 52%

Figura 10. Grafica Promedios de consumos 2010

CALDERAS 2.860.064

23% PULPA

3.084.877 24%

MAQUINA 6.768.249

53%

CONSUMO PROMEDIO DE ENERGIA AÑO 2010 (KWH)

CALDERAS 2.860.064 PULPA 3.084.877 MAQUINA 6.768.249

41

En este grafico podemos ver los comparativos de valores promedios de las diferentes áreas de la planta con los consumos promedios de energía en KWH del año 2010, nos dará una base para trabajar en las áreas de pulpa y calderas y en sus equipos donde se va a establecer dicha caracterización. 8.3. CONSUMO PROMEDIO DE ENERGÍA EN KWH AÑO 2011 Cuadro 2. Tabla de datos Consumo de Energía Promedio 2011

CONSUMO DE ENERGÍA PROMEDIO 2011

ÁREA CONSUMO TOTAL CONSUMO EN KWH PORCENTAJE CALDERAS 3.477.370 13.298.140 26% PULPA 3.224.649 13.298.140 24% MAQUINA 6.567.165 13.298.140 49%

Figura 11. Grafica Promedios de consumos de las áreas año 2011

CALDERAS 3.477.370

26%

PULPA 3.224.649 24%

MAQUINA 6.567.165

50%

CONSUMO PROMEDIO DE ENERGIA AÑO 2011 (KWH)

CALDERAS 3.477.370 PULPA 3.224.649 MAQUINA 6.567.165

42

En este grafico podemos ver los comparativos de valores promedios de las diferentes áreas de la planta con los consumos promedios de energía en KWH del año 2011, nos dará una base para trabajar en las áreas de pulpa y calderas y en sus equipos donde se va a establecer dicha caracterización. 8.4. CONSUMO PROMEDIO DE ENERGÍA EN KWH AÑO 2012 Cuadro 3. Tabla de datos consumo de energía promedio 2012

CONSUMO DE ENERGÍA PROMEDIO 2012 ÁREA CONSUMO TOTAL CONSUMO EN KWH PORCENTAJE CALDERAS 3.717.461 13.704.968 27% PULPA 3.434.331 13.704.968 25% MAQUINA 6.553.176 13.704.968 48%

Figura 12. Grafica Promedios de consumos de las áreas año 2012

En este grafico podemos ver los comparativos de valores promedios de las diferentes áreas de la planta con los consumos promedios de energía en KWH del

CALDERAS 3.717.461

27%

PULPA 3.434.331 25%

MAQUINA 6.553.176

48%

CONSUMO PROMEDIO DE ENERGIA AÑO 2012 (KWH)

CALDERAS 3.717.461 PULPA 3.434.331 MAQUINA 6.553.176

43

año 2012, nos dará una base para trabajar en las áreas de pulpa y calderas y en sus equipos donde se va a establecer dicha caracterización.

44

9. DETERMINACION DE LOS EQUIPOS ELECTRICOS CON ALTO CONSUMO EN AREAS DE CALDERAS Y PULPA

Figura 13. Grafica Diagrama de Pareto motores eléctricos de Pulpa con mayor consumo

De acuerdo al diagrama de Pareto de la gráfica 5, se observa que de la sección de pulpa, tenemos como mayores consumidores de energía eléctrica los motores de la bomba de cleaner y el del Screw Feeder con porcentajes de 34 y 49 %, esto muestra que los equipos en mención deben tener un seguimiento en su eficiencia eléctrica, para tratar de mejorar y reducir estos valores. Figura 14. Grafica Diagrama de Pareto motores eléctricos de Caldera con mayor consumo

45

De acuerdo al diagrama de Pareto de la gráfica 6, se observa que de la sección de calderas, tenemos como mayores consumidores de energía eléctrica los motores de la bomba de agua alimentación y los motores de los ventiladores de tiro forzado e inducido de la caldera de potencia con porcentajes de 18 ,36 y 53 %, esto muestra que los equipos en mención deben tener un seguimiento en su eficiencia eléctrica, para tratar de mejorar y reducir estos valores. 9.1. DETERMINACION DEL CONSUMO TERMICO EN LA SECCION DE CALDERAS Y PULPA Para la este análisis fue necesario obtener los datos de los valores de producción de vapor de la caldera, generación de energía y distribución de vapor de la turbina y alternador, obtención del consumo de vapor en los consumidores de pulpa como digestor y lavadoras de pulpa. Se toma como referencia el año 2012 para análisis térmico en las secciones de calderas y pulpa.

Cuadro 4. Datos de consumo de vapor en caldera año 2012

GENERACION DE VAPOR, ton VAPOR CP

enero 76,790 febrero 71,911 marzo 45,558 abril 69,751 mayo 77,242 junio 74,827 julio 72,380 Agosto 77,023 Septiembre 74,224 octubre 77,896 noviembre 73,410 diciembre 78,373

869,385

46

9.2. GENERACION DE VAPOR DE LA CALDERA AÑO 2012

Para el análisis de la generación de vapor en la caldera de potencia de Carvajal pulpa y Papel se revisaron los consumos de vapor de los meses del año 2012,de donde se obtuvo el siguiente gráfico: Figura 15. Grafica Diagrama de Pareto del vapor generado en la caldera

La generación de vapor de alta presión en la Caldera de Potencia fue baja en marzo debido a que la caldera entro en mantenimiento, diciembre del 2012 fue la mayor producción de vapor con un 9% con una producción de 78.3 T/H, este resultado se tiene en cuenta para realizar cuadros comparativos con los siguientes años y así determinar el área de mayor consumo.

47

Cuadro 5. Datos de consumo de vapor en el turbogenerador año 2012

VAPOR A TURBOGENERADOR VAPOR ADMISION EXTRACCION 165 EXHOSTO

65

100,497 21,509 78,988

91,614 18,969 72,646

59,736 13,260 46,476

91,650 19,853 71,797

100,061 21,926 78,134

96,659 22,418 74,241

88,366 17,746 70,620

102,097 21,821 80,276

97,674 21,239 76,435

102,364 22,007 80,357

97,099 20,268 76,831

102,474 22,759 79,715

Este cuadro muestra la información de producción de vapor de Admisión, extracción y Exhosto de la turbina de Carvajal Pulpa y Papel planta 2, corresponde al año 2012.

48

10. DIAGRAMAS DE PARETO DEL CONSUMO DE TURBINA, DIGESTOR Y LAVADORAS AÑO 2012

Figura 16. Grafica Diagrama de Pareto del vapor admisión de la turbina

Este gráfico muestra el consumo de vapor entrando a la turbina, durante el mes de diciembre se vio afectado en un 9%, con alta producción de 102 T; el mes de marzo fue bajo y se debió al mantenimiento efectuado en la planta de fuerza. Figura 17. Grafica Diagrama de Pareto del vapor extracción de la turbina

Para el grafico la producción de vapor de media este grafico muestra diciembre mes con alta producción y mes de marzo continúo bajo afectando los consumidores de vapor de media.

49

Figura 18. Grafica Diagrama de Pareto del vapor Exhosto de la turbina.

En este grafico se muestra el comportamiento del consumo de vapor de baja, presenta el valor más alto en octubre, 9% con 80.3 t/h y diciembre con un 27% con 79.7 t/h, este consumo afecto los consumidores y la producción de la planta estuvo inestable. 10.1. CONSUMO DE VAPOR EN LAVADORAS DE PULPA

Figura 19. Grafica Diagrama de Pareto del vapor en lavadoras

50

En este grafico se muestra el comportamiento del consumo de vapor de baja, presenta el valor más alto en Enero con 13% y 12 t/h de vapor, la producción promedia de pulpa fue de 292 t/día. Figura 20. Grafica Diagrama de Pareto del vapor a Digestor

51

11. ANÁLISIS DE CONSUMOS DE ENERGÍA Y PRODUCCIÓN EN EL TIEMPO Para este análisis se tiene la producción total de papel de la planta de Carvajal Pulpa y Papel planta 2 durante los años 2010 al 2012 junto a esta producción se tiene el consumo total de energía utilizado para sacar dicha producción total basándose también en el tiempo. Cuadro 6. Tabla de datos.

CARVAJAL PULPA Y PAPEL PL-2 MES/AÑO PRODUCCION 1A KWH

ene-10 11.196 13795929 feb-10 11.014 12893716

mar-10 11.585 13981371 abr-10 11.273 13544803

may-10 11.254 13848072 jun-10 11.137 13438430 jul-10 10.926 13606232

ago-10 11.103 13833435 sep-10 10.849 12076540 oct-10 11.828 14109636

nov-10 10.108 11150426 dic-10 6.856 6279688

ene-11 9.456 11840934 feb-11 10.323 11896841

mar-11 11.146 12256382 abr-11 11.428 12067194

may-11 11.314 13545722 jun-11 11.251 13469589 jul-11 11.196 13378785

ago-11 11.004 13569343 sep-11 10.350 13269162 oct-11 11.527 13910539

nov-11 11.135 13367329 dic-11 10.572 13041256

ene-12 11.156 13935353 feb-12 10.980 12975087

mar-12 10.012 11611989 abr-12 10.732 12742042

may-12 11.468 13847287 jun-12 11.403 13503206 jul-12 11.441 12821022

ago-12 11.671 13605631 sep-12 11.598 13457775 oct-12 11.261 14220401 nov-12 10.993 13680322 dic-12 11.979 13951757

52

La información contenida en la tabla anterior corresponde a la revisión mes a mes de cada año desde el 2010 al 2012 donde se extrae la producción de papel y todo el consumo energético que se deriva de las secciones de calderas, pulpa y maquinas. Figura 21. Grafica Toneladas de papel fabricado vs energía en el tiempo

El grafico se obtiene: Para el mes de febrero del 2010 la producción estuvo con un incremento de

5,19% y un consumo de energía de 8,44% vs mes de enero, pero para el mes de diciembre del 2010 obtenemos una caída de producción de 37,93% y se da un ahorro en energía de 88,56% del cual se pude decir que no significo ahorro debido a que la producción fue muy baja vs los meses de todos los otros años 2011 y 2012 se deduce menos producción menos consumo energético.

Para el mes de enero del 2011 se obtuvo una producción en diciembre de

9,17% y el consumo de Energía si significo ahorro pues estuvo en el orden de 0,47%.

La tendencia para el 2012 fue de que en el mes de noviembre y diciembre los

consumos de energía para haber dado la producción requerida fueron muy parejos contando con que diciembre estuvo con un porcentaje de 100% en

53

ambos casos, pero en noviembre se observó una producción de 8,97% menos de diciembre y se obtiene incremento en el consumo energético de 1.98%

54

12. ANÁLISIS DE CONSUMO VS PRODUCCIÓN El análisis del consumo de energía eléctrica vs. Producción se realizó a partir del gráfico de consumo vs producción, que muestra el comportamiento de la empresa La figura 10, grafica la variación del consumo de energía vs la producción realizada en el tiempo, mostrando periodos con comportamientos anormales, un incremento de la producción es consecuente con un incremento del consumo de energía. El diagrama se define como una herramienta fundamental para determinar Diagrama de consumo y producción (E vs P). Obteniendo los valores de la energía no asociada al proceso, se plantean metas en la reducción de consumos energéticos. Figura 20 Gráfico Diagrama de consumo y producción (E vs P)

Al determinar el coeficiente de correlación entre E y P, como resultado se obtuvo una correlación de 0.57 para una línea de consumo, de igual forma calcula

55

analíticamente la pendiente y el intercepto de la recta, expresando su ecuación de la forma: E = mP + Eo Dónde: E: Consumo de energía en el período seleccionado. P: Producción asociada en el período seleccionado. m: Pendiente de la recta que significa la razón de cambio medio del consumo de energía respecto a la producción. Eo: Intercepto de la línea en el eje y que significa la energía no asociada a la producción. mP: Es la energía utilizada en el proceso productivo. Y la ecuación que se obtuvo como resultado fue Et =1,061.91 P +1, 443,299.71 El potencial de ahorro se representa en

56

12.1. CONSUMO Y COSTO DE VAPOR SECCION DE CALDERAS Después del análisis realizado al consumo de vapor en cada equipo de las secciones de pulpa y calderas, se tomó la información del año 2012, concerniente a informes contables para sacar el costo del kilogramo de vapor Vs la producción de generación de vapor de la sección de caldera. Figura 23. Gráfico Consumo y Costo de Vapor sección de calderas

Este grafico muestra el comportamiento mes a mes durante el año 2012 de lo que costo producir las toneladas de vapor para la producción de papel, los datos se obtienen de las listas contables de la empresa donde indican cuanto fue el valor de pesos en kilogramos de vapor este valor es de 23,2 pesos sobre kilogramo de valor.

$/Kg vapor; dic-12; 1.802.579.000

$/Kg vapor; oct-12; 1.791.608.000

$/Kg vapor; may-12; 1.778.471.869

$/Kg vapor; ago-12; 1.771.529.000

$/Kg vapor; ene-12; 1.766.168.330 $/Kg vapor; jun-12;

1.712.852.995

$/Kg vapor; sep-12; 1.707.147.400

$/Kg vapor; nov-12;

1.688.430.000

$/Kg vapor; feb-12; 1.653.954.628

$/Kg vapor; jul-12; 1.611.815.789

$/Kg vapor; abr-12; 1.610.187.840

$/Kg vapor; mar-12;

233.109.800

$/Kg vapor

57

12.2. CANTIDAD DE VAPOR PRODUCIDO AÑO 2012 SECCION DE CALDERAS En este grafico se muestra cuantas fueron las toneladas de vapor generado mes a mes durante el año 2012 en la caldera. Figura 24. Cantidad de vapor producido año 2012 sección de calderas

Para analizar el costo de vapor y la cantidad de vapor generado ,se utiliza la siguiente cuadro donde esta discriminado cada mes del 2012 con sus valores ya convertidos de miles de libras a kilogramos, está conversión se realiza para poder sacar el costo en pesos del kilogramo de vapor ,en él está marcado el mes más alto y el más bajo , para el mes de diciembre se generó más producción de papel por lo tanto la caldera estuvo en su límite de consumos y el mes de marzo no hubo consumidores por estar parada la caldera de potencia.

dic-12; 78.373.000

oct-12; 77.896.000

may-12; 77.324.864

ago-12; 77.023.000

ene-12; 76.789.927

jun-12; 74.471.869

sep-12; 74.223.800

nov-12; 73.410.000

feb-12; 71.911.071

jul-12; 70.078.947

abr-12; 70.008.167 mar-12; 10.135.209

KG DE VAPOR

58

Cuadro 7. Costo de vapor y la cantidad de vapor generado

MES/AÑOVAPOR

GENERADO (Mlbs)

COSTO $/KGc $/Kg vapor KG DE VAPOR

dic-12 172,734 23 1,802,579,000 78,373,000 oct-12 171,683 23 1,791,608,000 77,896,000

may-12 170,424 23 1,778,471,869 77,324,864 ago-12 169,759 23 1,771,529,000 77,023,000 ene-12 169,245 23 1,766,168,330 76,789,927 jun-12 164,136 23 1,712,852,995 74,471,869 sep-12 163,589 23 1,707,147,400 74,223,800 nov-12 161,796 23 1,688,430,000 73,410,000 feb-12 158,492 23 1,653,954,628 71,911,071 jul-12 154,454 23 1,611,815,789 70,078,947

abr-12 154,298 23 1,610,187,840 70,008,167 mar-12 22,338 23 233,109,800 10,135,209

59

13. VALOR DEL KWH DE LA ENERGIA GENERADA EN AÑO 2012 Para este análisis se genera un gráfico donde se muestra cuanto costo el kwh generado en la planta para poder producir una tonelada de papel. Figura 24. Gráfico costo el kwh generado en la planta para poder producir una tonelada de papel

60

Para esta grafica se trabaja con la siguiente cuadro utilizando el valor del KWH de un valor de $ 240,0 pesos, se utilizan los consumos de energía mes a mes del año 2012. Cuadro 8. Valor del KWH

En esta tabla se observa el mayor valor para en octubre con un valor de $ 4.740.133,67 KWH en esta ocasión de acuerdo a las bitácoras de la planta se genera record en la producción de papel, esto ocasiono que la planta no tuviera paradas largas de mantenimientos. Después de estos análisis del costo de vapor y del costo la energía generada, se trabaja con esta información para hacer el cálculo teórico, y ver lo aproximado que se puede estar con respecto a la operación de la planta. Para esto se toma el cálculo del índice de consumo donde se determina el costo que representa generar una unidad de vapor por cada unidad de masa de combustible. Este se describe a continuación:

MES/AÑO KW/MES COSTO $/KWH VALOR KW/H

oct-12 14220401 240 4740133.67dic-12 13951757 240 4650585.67

ene-12 13935353 240 4645117.67may-12 13847287 240 4615762.33nov-12 13680322 240 4560107.33ago-12 13605631 240 4535210.33jun-12 13503206 240 4501068.67

sep-12 13457775 240 4485925feb-12 12975087 240 4325029jul-12 12821022 240 4273674

abr-12 12742042 240 4247347.33mar-12 11611989 240 3870663

)1(*.

::

:)/(:

)/(:

Ecuacionhh

PCIUEP

m

m

Donde

mbustiblerutildelcoicoInferioPoderCalorPCIU

adelacalderEficiencia

hKgibleodecombustFlujomasicm

hKgodevaporFlujomasicm

aV

CALDERA

C

V

CALDERA

CC

VV

61

14. CALCULO EFICIENCIA DE LA CALDERA DE LA CALDERA DE POTENCIA

Para el análisis de eficiencia de la caldera de potencia se toma como ejemplo uno de los análisis próximos del departamento técnico y el desarrollo es basado en un procedimiento de eficiencia térmica visto en un manual de la universidad.

Figura 17. Agua BFW 63 °C = 145.4 °F

Gases de emisión CO : 0.1 % CO2 : 13.5 % N2 : 79.1 %

Temperatura ambiente Temperatura de bulbo seco 35 °C = 95 °F Temperatura de bulbo humedo 33 °C = 91.4 °F

62

14.1. EFICIENCIA DE LA CALDERA. (MÉTODO DIRECTO)

Generalmente, la eficiencia es una expresión de la cantidad de salida deseada de un componente comparado con la entrada requerida. La eficiencia de la caldera se define por la siguiente expresión:

caldera la a Energia

caldera la en vapor de Energiaηcaldera

HHV*m

hhmη

carbon

aavaporvapor

caldera

Btu/lb 12107 13000b/h

Btu/lb 245.1 - Btu/lb 1199.1 lb/h 227516ηcaldera

% 67.8ηcaldera

15.1.1. Eficiencia de la caldera (método indirecto) La eficiencia será determinada identificando las magnitudes de las pérdidas individuales asociadas con la generación de vapor. Esta evaluación de eficiencia se denomina el método de pérdidas “indirecto”. Energía de entrada = 12107 Btu/lb

13000lb/h

lb/h 227516

m

m

energetica entrada

producido Vapor

carbon

vapor

carbon lb

vapor lb 17.50

energetica entrada

producido Vapor

aavapor hhenergetica entrada

producido Vapor caldera salida

63

Btu/lb 245.1 - Btu/lb 1199.1carbon lb

vapor lb 17.50 caldera salida

Energía salida caldera = 16695 Btu/lb carbón Fuente: Manual Control de la eficiencia de una Caldera, UAO-Gonzalo Rodriguez 14.1.2. Datos del combustible Cuadro 9. Componentes del combustible

Datos del combustible (CARBÓN)

C 64.84 %

H2 4.40 %

O2 6.76 %

S2 1.59 %

N2 1.31 %

Humedad 6.48 %

Cenizas 14.62 %

Cuadro 10. Componentes gases de chimenea

Gases de Combustión

CO2 12.80%

CO 0.01 %

O2 6.70 %

N2 80.49

64

15. CÁLCULO DEL AIRE TEÓRICO O ESTEQUIOMETRICO Cuadro 11. Masa atómica de los elementos

Elemento Masa Atómica

C 12

H 1

S 32

O 16

Fuente: Tabla periódica de elementos química básica.

(1) O2 lb 73.112

32*0.6484 X

(2) O2 lb 0.352

16*0.04 X

(3) O2 lb 0.015932

32*0.0159 X

C + O2 → CO2 12 lb + (16*2) lb. → CO2 0.6484 X

H2 + O → H2O 2 lb + 16 lb → H2O 0.04 X

S + O2 → SO2 32 lb + (16*2)lb → SO2 0.0159 X

65

Cuadro 12. Cantidad de O2 para quemar combustible

Componente Relación de peso molecular

Lb de oxigeno requerido

C: 0.6484 32/12 + 1.73

H2: 0.04 16/2 + 0.35

S2: 0.0159 32/32 + 0.0159

O2: 0.0679 - - 0.0679

Se necesitan 2.0959 lb de O2 para quemar una libra de CARBÓN 15.1.CÁLCULO DEL PESO DE AIRE EN FUNCIÓN DEL OXIGENO Para determinar el peso del aire, se utiliza el peso de cada uno de sus componentes, en este caso solamente se tomaran el del nitrógeno y el del oxígeno.

O2 = 21 % N2= 79 %

Fuente: Control de la eficiencia de una caldera, UAO-Gonzalo Rodriguez

2N de lb 7.884 2.0959*0.21

0.79

)4(22 O de lb 2.0959 N de lb 7.884 carbon de lb

aire del Peso

carbon de aire/lb de lb 9.98 carbon de lb

aire del Peso

66

15.2. CÁLCULO DEL EXCESO DE AIRE EN GASES DE COMBUSTIÓN

CO

21O0.264N

CO2

1O * 100

combustion de gases

en aire de Exceso

22

2

0.0001

210.0670.80490.264

0.00012

10.067 * 100

combustion de gases

en aire de Exceso

Exceso de aire en gases de combustión = 46 % Este valor para este análisis está dentro de lo más aproximado a lo físico de la caldera y a las mediciones dentro de la parte instrumental que se ve en el cuarto de control de la caldera 15.3. CÁLCULO DEL AIRE CON EXCESO

0.46 * 9.97 carbon de lb aire

de exceso del Peso

lb 4.59 carbon de lb aire

de exceso del Peso

carbon de lb

aire de lb 4.59

carbon de lb

aire de lb 9.97 total Aire

carbon de lb

aire de lb 14.56 total Aire

67

15.4. CÁLCULO DE LOS GASES EN BASE SECA Para determinar la cantidad de gases de la combustión, se obtiene con la cantidad de cada componente combustible, más el oxígeno necesario para combustión de cada elemento, como componente en los gases de chimenea, así: Cuadro 13. Componentes de gases en chimenea

Componente combustible

+ Oxigeno necesario

= Componente de gases en chimenea

C: 0.6484 + 1.73 + 2.38

H2: 0.04 + 0.35 + 0.40

S2: 0.0159 + 0.0159 + 0.03

N2 combustible: 0.0131 0 0.01

N2combustion + 7.9 + 7.88

Total 10.69

carbon de lb

gases de lb0.35) - (10.69 seca base en Gases

Gases en base seca = 10.30 lb de gases/lb de carbón.

carbon de lb

gases de lb4.59

carbon de lb

gases de lb10.30

aire de exceso el mas

seca base en gases Total

carbon de lb

gases de lb14.88

aire de exceso el mas

seca base en gases Total

68

15.5. CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN Para la determinación de las pérdidas en los gases de la combustión, se tienen cuenta, las temperaturas de entrada del aire de combustión y la de los gases de chimenea, en base seca:

aggases T - T * W 0.24 seca base en

gases los de Perdidas

Siendo: Wgases = pesos de los gases en base seca más el exceso de aire Tg = temperatura de gases de chimenea Ta = temperatura del aire de combustión

Fª80.6-840.4 * 14.88 0.24 seca base en

gases los de Perdidas

carbon de lbBtu 2714.28 seca base en

gases los de Perdidas

Fuente: Control de la eficiencia de una caldera, UAO-Gonzalo Rodriguez

69

16. DETERMINACIÓN DE PERDIDAS DEBIDO AL HIDROGENO POR EVAPORACIÓN DE AGUA

El hidrógeno presente en el combustible, produce agua por la combustión que representan pérdidas para la combustión. Se determina mediante la fórmula:

gf T 0.46T - 1089 H 9

hidrogeno agua del

nevaporacio por Perdidas

Siendo: H = Hidrogeno en el combustible Tf = Temperatura del combustible antes de la combustión en ªF Tg = Temperatura de gases de salida en ªF Fuente: Control de la eficiencia de una caldera,UAO-Gonzalo Rodriguez

840.40.4680.06-1089 0.049

hidrogeno agua del

nevaporacio por Perdidas

carbon de lb

Btu 552.41

hidrogeno agua del

nevaporacio por Perdidas

16.1. PERDIDAS POR EVAPORACIÓN DEL AGUA DEBIDO A LA HUMEDAD DEL COMBUSTIBLE

gfhumedas 0.46TT1089W e)combustibl (en humedad

de nevaporacio de

Pérdidas

0.69carbon de lb

humedad de lb Whumedad

Pérdidas por humedad (carbón) = 96.66BTU/Lb Carbón

70

16.2. CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN.

agHA TTW 0.46 combustion de aire del

humedad por Pérdidas

Siendo: Tg = Temperatura de los gases de salida Ta = Temperatura del combustible antes de la combustión Por medio de la carta psicométrica, con la temperatura de bulbo seco de 80.6 ªF y temperatura de bulbo húmedo de 71.06 ªF, se procede a encontrar el porcentaje de humedad relativa y la razón de la humedad, las cuales fueron: Humedad relativa obtenida 21 %.

seco aire de lb

humedad de lb0.0145 humedad la de Razon

Fuente: Control de la eficiencia de una caldera, UAO-Gonzalo Rodriguez 16.3. CONTINUACIÓN CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN

exceso de

aire de Masa

teorico aire

de Masa

ondecombusti

aire del Masa

carbon de lb

aire de lb 14.56

combustion de

aire del Masa

combustion de aire del Masa * humedad la de Razon WHA

carbon de lb

aire de lb 14.56 *

seco aire de lb

humedad de lb 0.0145 WHA

carbon de lb

humedad de lb 0.21 WHA

71

16.4. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTIÓN.

agHA TTW 0.46 combustion de aire del

humedad por Perdidas

Fª95419.83carbon lb

humedad lb 0.52150.46 combustion de aire del

humedadpor Perdidas

carbon de lbBtu 77.92

combustion de aire delhumedadpor Perdidas

16.4. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA (CO).

10190*CCO CO

CO

radiacion dela incompleta

combustion por Perdidas

2

10190*0.8131*13.5 0.1

0.1

radiacion dela incompleta

combustion por Perdidas

carbon de lbBtu 60.92

radiacion dela incompletacombustionpor Perdidas

16.5. PÉRDIDAS POR RADIACIÓN DEL HORNO

100

entrada de bruto calor del 1.09% radiacion por Perdidas

100

carbon de Btu/lb 19250 1.09 radiacion por Perdidas

carbon de lbBtu 209.83 radiacion por Perdidas

72

16.6. PÉRDIDAS POR PURGA

ecombustibl

aavaporvapor

m

hhm de 6%

purga por

Perdidas

lb/h 159.3

carbon de Btu/lb113.53-1191.41 lb/h 1929.70.06 purgapor

Perdidas

Perdidas por purga = 783.42 Btu / lb de carbon Cuadro 14. Perdidas en la caldera

Btu / lb combustibles % (100)

Energía de entrada 19684 100

Energía de salida 13053 66.1

PERDIDAS

Perdidas por gases de combustión 2714.28 8.38

Perdidas por hidrogeno 552.41 6.84

Perdidas por humedad en el combustible 96.66 0.78

Perdidas por humedad en el aire ambiente 77.92 0.4

Perdidas por CO 60.92 0.32

Perdidas por combustible en cenizas 0.21 1

Perdidas por radiación 209.83 1.09

Perdidas por purga 783.43 4.07

Perdidas por no controladas 2135.63 11.1

TOTAL 19684 100

73

Las mayores pérdidas en la caldera de potencia para este ejercicio en el que se tomó como referencia un análisis próximo de años pasados, nos muestra efectivamente que las perdidas más altas son por las no controladas, estas pérdidas tienen que ver con el manejo de la combustión de la caldera y la alimentación del carbón ya que se maneja una mezcla de carbón de diferentes minas de los departamentos de Colombia. Para continuar con el análisis de la eficiencia de la caldera, se toma la información de la planta y se hace el cálculo con diferentes análisis próximos, se calcula la eficiencia de la caldera tal cual nos muestra la Tabla 9 abajo citada, este estudio comprende año 201 a 2012. Cuadro 15. Datos consumos de carbón vs eficiencia de la caldera

Eficiencia

AÑO MES PoderCalórico (BTU)

Consumo(Ton)

Energía(MMBTU)

PoderCalórico (BTU)

Consumo(Ton)

Energía(MMBTU)

Generado(Mlbs)

Energía(MMBTU) %

2010 Enero 10.828 9.179 219.056 7.344 3.804 61.572 155.876 185.180 66,0%2010 Febrero 11.034 9.025 219.478 7.493 3.689 60.922 153.837 182.758 65,2%2010 Marzo 10.908 9.653 232.070 7.575 3.206 53.525 165.080 196.115 68,7%2010 Abril 10.986 9.698 234.819 7.257 3.592 57.452 159.528 189.519 64,8%2010 Mayo 10.888 9.810 235.412 7.398 2.678 43.665 157.108 186.644 66,9%2010 Junio 11.034 9.951 241.998 6.767 2.520 37.584 169.313 201.144 71,9%2010 Julio 10.895 9.796 235.227 6.798 3.563 53.384 169.243 201.061 69,7%2010 Agosto 10.254 10.195 230.405 7.099 3.421 53.526 172.203 204.577 72,1%2010 Septiembre 10.338 7.191 163.847 7.441 2.209 36.228 114.017 135.453 67,7%2010 Octubre 10.439 10.268 236.242 6.985 3.227 49.679 170.704 202.797 70,9%2010 Noviembre 10.918 8.646 208.051 6.752 2.304 34.287 144.307 171.437 70,7%2010 Diciembre 10.910 5.013 120.541 7.215 1.054 16.761 85.141 101.147 73,7%2011 Enero 10.150 8.007 179.121 7.368 2.482 40.305 136.974 162.725 74,2%2011 Febrero 10.168 7.813 175.091 6.436 2.887 40.952 146.390 173.911 80,5%2011 Marzo 10.251 8.477 191.523 6.465 3.849 54.844 149.594 177.718 72,1%2011 Abril 10.104 9.030 201.091 6.069 3.065 40.998 148.576 176.508 72,9%2011 Mayo 9.878 9.500 206.826 5.945 4.250 55.687 172.789 205.274 78,2%2011 Junio 9.571 9.717 204.975 6.232 4.401 60.449 166.843 198.209 74,7%2011 Julio 9.635 10.490 222.761 6.588 3.762 54.624 163.986 194.815 70,2%2011 Agosto 9.847 10.350 224.624 6.340 3.975 55.544 170.585 202.655 72,3%2011 Septiembre 10.767 9.772 231.894 7.053 3.406 52.946 154.157 183.139 64,3%2011 Octubre 10.107 9.828 218.927 6.553 3.827 55.273 170.768 202.872 74,0%2011 Noviembre 10.413 10.233 234.850 5.912 3.719 48.459 162.232 192.732 68,0%2011 Diciembre 10.864 9.762 233.744 6.286 2.410 33.389 146.890 174.505 65,3%2012 Enero 10.611 9.559 223.553 5.977 3.586 47.239 169.245 201.063 74,2%2012 Febrero 10.648 10.925 256.390 5.935 3.830 50.099 158.492 188.288 61,4%2012 Marzo 9.689 1.642 35.064 6.257 1.899 26.188 22.338 26.538 43,3%2012 Abril 9.865 10.494 228.165 5.450 3.114 37.399 154.298 183.306 69,0%2012 Mayo 11.828 9.842 256.570 5.519 4.683 56.963 170.424 202.464 64,6%2012 Junio 10.041 10.432 230.864 6.353 4.255 59.579 164.136 194.994 67,1%2012 Julio 10.059 9.271 205.538 6.194 3.720 50.784 154.454 183.491 71,6%2012 Agosto 10.775 9.900 235.106 7.632 4.503 75.745 169.759 201.673 64,9%2012 Septiembre 10.910 9.733 234.036 7.625 4.226 71.020 163.589 194.344 63,7%2012 Octubre 10.595 9.874 230.572 7.510 8.438 139.666 171.683 203.959 55,1%2012 Noviembre 11.232 9.373 232.032 7.538 4.058 67.419 161.796 192.213 64,2%2012 Diciembre 10.070 10.225 226.937 7.769 4.773 81.727 172.734 205.208 66,5%

Carbón Polvillo Vapor

74

ENTALPIA DEL VAPOR Vapor 900 1.416 BTU/Lb Vapor 600 1.380 BTU/Lb Vapor 165 1.245 BTU/Lb Agua de alimentación 228 BTU/Lb ΔH (Entalpía) Vapor 1.188

Como se observa en la tabla 9, las eficiencias de la caldera están en algunos meses bajas con respecto a la nominal de diseño que es de 76%, esto se ve afectado, manejo de la combustión interna de la caldera que comprende el manejo de los aires de combustión, la humedad en el carbón, suministro de carbón con bajo poder calórico. Figura 25. Gráfico Datos consumos de carbón vs eficiencia de la caldera

Al obtener esta grafica se hace evidente la baja eficiencia de la caldera durante el mes de marzo del 2012 donde se originaron paros de mantenimiento por parada mayor de planta, el turbogenerador y la caldera estuvieron en mantenimiento por 10 días y para el mes de noviembre del mismo año 2012 se dio paro por falta de bagazo el cual ocasiona la baja producción y alto consumo de energía comprada.

Cuadro 15 ( continuación)

75

Después de tener la eficiencia de la caldera, este dato se ingresa a la fórmula de índice de consumo que representa generar una unidad de vapor por cada unidad de masa de combustible. 16.7. CONDICIÓN DEL EQUIPO A ANALIZAR Cuadro 16. Condiciones del Equipo de a analizar

CALDERA DE POTENCIA Presión de vapor de operación 62 bar=900 psig Presión de diseño: 65 bar=942 psig Capacidad de la caldera: 110 Ton/h=30.55

Kg/s Temperatura agua alimentación 126ºC (258.8ºF) Temperatura agua salida de la caldera: 172ºC (341.6ºF) Tiempo de calentamiento: 7 horas=420 min Producto a calentar Agua Calor especifico del agua: 1 BTU / LbºF Gravedad especifica del agua: 1 Poder calórico inferior útil del carbón en promedio 12 meses del año

10527 BTU/Lb=24485.80 KJ/Kg

Eficiencia de la caldera promedio del 2012 67,8 Precio del carbón nivel nacional 210 $/Kg

El valor del precio del carbón de 210 $/Kg se tomó del cuadro de canasta energética colombiana. Cuadro 17. Canasta energética colombiana.

Fuente: Juan V. Saucedo.

TASAS DE CAMBIO AL 29/03/2013, $/U.S. $ 1,832.20 U.S $ 2,339.35 $/€GI GAJ ULI OS GI GAJ ULI OS GI GAJ ULI OS

COMBUSTIBLE $/GJ US$/GJ €/GJ MJ/UNIDAD VALOR UNIDAD PRECIO (2) (7) (8)

ENERGIA ELECTRICA MJ/kWh 3.5999 $/kWh (3) 370 102,780.63 56.10 43.94 GASOLINA 87-93 OCT. MJ/GALON 121.7534 $/GALON 9,500 78,026.57 42.59 33.35 QUEROSENO MJ/GALON 141.3775 $/GALON 6,970 49,300.63 26.91 21.07 DIESEL (ACPM) MJ/GALON 145.5977 $/GALON 8,500 58,380.04 31.86 24.96 GAS NATURAL (4) MJ/M3 37.2593 $/M3 1,000 26,838.94 14.65 11.47 GAS PROPANO MJ/GALON 97.0651 $/GALON 5,076 52,294.80 28.54 22.35 CRUDO DE CASTILLA (6) MJ/GALON 160.3685 $/GALON 5,000 31,178.19 17.02 13.33 FUEL OIL CIB (6) MJ/GALON 158.2584 $/GALON 5,200 32,857.66 17.93 14.05 CRUDO DE RUBIALES (6) MJ/GALON 160.8883 $/GALON 4,000 24,861.97 13.57 10.63 CARBON MINERAL MJ/Kg (5) 25.5324 $/Kg 210 8,224.84 4.49 3.52

PODERES CALORICOS (1) COSTO

CANASTA ENERGETICA COLOMBIANA $/GJ, U.S.$/GJ Y €/GJ A ABRIL 02 DE 2013

76

16.8. CALCULO DE INDICE DE CONSUMO PARA EL COMBUSTIBLE DE LA CALDERA.

TKg

TKg

C

QQ

Q

TIBLETADECOMBUSCANTIDADNE

TKg

KgKj

TonKj

CCR

QUERIDIOBUSTIBLERETIDADDECOMCALCULOCAN

Ton

Kj

ton

Kg

Kg

Kj

Kg

Kj

Kg

KjQ

Kg

KjC

CKg

KjQ

TOPcaloricoHQ

OMBUSTIBLERIDOPORELCCALORREQUE

Kg

KgKgKg

CV

CEP

CV

KgKg

kgkjkgkj

kgkjEP

hh

PCIUEP

NETA

APORTADO

APORTADO

REQUERIDO

COMB

COMB

COMB

V

CC

V

COMB

C

V

aV

CALDERA

3.14356.1*9,91

56.164,0164,064

9.9180,24485

2252580

22525801

1000*94.225294,52752.2780

94,527126**

19,4

*

$57,19$210*73,10

1

*.1

73,1048,155034,16650

/04,1230/52.2780/80,24485*68.0.

*.

2

El valor de $ 19,58 $/Kgc se encuentra aproximado al valor inicial de los registros contables de la planta donde el costo es de 23 $/Kgc por lo tanto el índice del consumo está en función del poder calórico inferior útil del carbón de la empresa.

77

16.9. CALCULO DE LA EFICENCIA ACTUAL DE DIGESTOR Se tiene la información de entrada de vapor del digestor: Vapor Saturado a 7,5 bar Temperatura de 168 °C

Entrada de licor negro: h

m3

60

segKgseg

hx

h

KghTM /94,6

3600125000/251

KgKJbarahh g /27665,71

En el estado 2

)75,57(6,1010196,1975,57196,19

759085,3276694,6

)()(

9075

85,3/92,0%16

/60

32

2

3211

2

32

Mseg

KJ

seg

KJM

seg

KJ

MxCKg

KJ

Kg

KJ

s

Kg

TTCpMTTCpMhM

EsEe

CTout

CTin

CKg

KJCKgKcaldesolidosCpaCp

hmM

INOUTINOUT

78

En el estado 3

%94196,19185,18

9075

85,3/92,03

213

tordeiadeldigeslaeficiencTendriamos

CTout

CTin

CKg

KJCKgKcalCp

MMM

16.10. CALCULO DE LA EFICIENCIA TERMICA DE LAVADORA DE PULPA

segKgseg

hx

h

KghTM /47,1

360015300/3,51

KgKJbarahh g /9,27435,51

8.403737024,45,4033

347425,33657,19,274347,1

)(

7434

3657,1

/25,33600

111700/7,11

211

2

2

seg

KJ

s

Kgx

CKg

KJ

Kg

KJ

s

Kg

TTCpMhM

EsEe

CTout

CTin

CKg

KJCpCp

segKgseg

hx

h

KghTM

INOUT

79

17. RECOMENDACIONES Dentro del análisis de eficiencia de equipos del área de pulpa y calderas, deben de existir mejores puntos de medición y esto se logra aplicando la norma ASME PTC 4.1 donde establece la instalación de equipos para esta medición. Se recomienda continuar utilizando la implementación del Modelo de Gestión Integral de la Energía. Se recomienda seguir utilizando gráficos para ser publicados en la empresa y mostrar cómo va el desempeño energético y consumo en las secciones de pulpa y calderas. Se recomienda hacer un plan de mantenimiento desde el punto de vista energético para el control de fugas y emisiones térmicas de la planta. Crear indicadores de consumo de energía térmica vs producción, para las áreas asociadas en la fabricación de papel, como son: -Consumo de energía del área de pulpa y calderas vs producción. Se recomienda la utilización de los diagramas de E vs P, para la identificación de metas. Se recomienda hacer un estudio de eficiencia energética en las zonas más críticas de la planta Se recomienda mejorar el software de manejo de anomalías para incluir las que sean de carácter térmico y que tengan un estudio diferente a una anomalía del común.

80

18. CONCLUSIONES Al verificar la metodología propuesta por el sistema de gestión de la energía, para desarrollar la caracterización térmica en los equipos de las secciones de calderas y pulpa Planta 2, se comprobó que es una herramienta útil y precisa, pero es requerido que se profundice más en ella y así perfeccionar su implementación en el desarrollo del modelo de gestión integral de la energía. Para el proyecto se identificaron las áreas de proceso, equipos y personal que fue de vital importancia para el desarrollo del proyecto, esto fue necesario para el obtener la información adecuada y evidenciar problemas internos, se tomó como partida algunos desarrollos de la compañía sobre equipos y procesos ineficientes. Realizar una caracterización térmica en la planta, permite que la empresa empiece a utilizar las herramientas para aplicar el modelo de gestión integral de la energía y también se analizara el comportamiento de los equipos y más aún con valores de las eficiencias térmicas. Con respecto a la eficiencia de los equipos seleccionados, se obtuvo que la caldera está en un promedio de 66 a 72 % el cual implica que se debe de empezar a trabajar en la mejora de la combustión de la caldera, para el caso de digestor estaría en un 90% y 94% para el caso de la lavadoras. La de humedad en el carbón afecta notablemente en el proceso de combustión y esto reduce significativamente la eficiencia térmica y además incrementa las emisiones a la atmosfera. La eficiencia de la caldera está tomada bajo un análisis próximo de un año determinado, aplicado a los análisis de laboratorio del muestreo de Carvajal pulpa y papel planta 2, este análisis comprendió la investigación de tres años día a día para verificar cual era una de las más aceptables, pero en el entorno de los años analizados la eficiencia de la caldera está en el orden de 68 % Con el resultado de los gráficos de E-P vs T, y revisando la tendencia de cada dato se pude decir que si la producción es exigida al máximo así mismo se comportara los consumos eléctricos y térmicos de las secciones de pulpa y calderas.

81

En la actualidad las plantas de calderas y Pulpa están trabajando bajo el esquema de hacer más producción, estas operaciones llevadas al límite o fuera del rango de diseño de los equipos para el caso de las calderas, lavadoras y digestor comprometen la vida útil y el costo del mantenimiento. Se identificó dentro de las áreas de Pulpa y Calderas los transformadores y motores que están contribuyendo a un alto consumo energético. Con la aplicación de este modelo se obtienen resultados muy confiables, siempre y cuando se haga una recolección apropiada de datos, principalmente carbón y de energía. El incremento en los gases de combustión ha ocasionado alta velocidad de gases y por ende incrementando las emisiones de Material Particulado a la atmosfera

82

BIBLIOGRAFÍA “Eficiencia Energética y Competitividad de Empresas”. Juan Carlos Campos Avella, Rafael Gómez Dorta y Leonardo Santos Macías. ISBN 959-257-019-1. Editorial UCF.80p.1998. ÇENGEL, Yunus A. Termodinámica. 4 ed. México: McGraw-Hill, 2003. 829 p. COLOMBIA. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA. Resolución No. 181331 de 2009 (agosto 6). Por la cual se expide el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público – RETILAP y se dictan otras disposiciones [en linea]. Bogotá: Ministerio De Minas Y Energía, 2009 [Consultado 15 de mayo de 2009]. Disponible en Internet: www.minminas.gov.co/minminas/downloads/archivosSoporteRevistas/5126.pdf Control del Consumo Energético, UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA, Herramientas para el control de variables por proceso. Primera Edición. Editorial Universidad Pontificia Bolivariana.2001. P 9. Eficiencia energética en motores eléctricos [en línea]. Santiago de Cali: Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), 2009[ en línea] [Consultado el 04 de mayo, 2009]. Disponible en Internet: http://www.upme.gov.co/ Gerencia de Energía. Energy Star, ENERGY STAR, Disponible en Internet:http://www.energystar.gov/index.cfm?c=guidelines.guidelines_index. Gerencia de la Energía DEVELOPING AN ENERGY MANAGEMENT SYSTEM. STATE GOVERNMENT OF VICTORIA. June 2002.[en línea][consultado 15 de mayo de 2009] Disponible en Internet: http://www.seav.sustainability.vic.gov.au/ftp/ advice/business/egmtoolkit/Module4.pdf. Gestión Energética Integral (ENTE VASCO DE ENERGÍA-EVE. Implantación de la Gestión Energética Integral. Marzo 1999). Guía para gerenciar la eficiencia energética en plantas industriales, An Energy Efficiency Guide for Industrial Plant Managers in Ukraine, Disponible en Internet: http://www.pnl.gov/aisu/pubs/guide.pdf.

83

Modelo de Gestión Integral de la Energía para el sector productivo nacional. [CD-ROM]. Santiago de Cali: Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), 2006. 1 CD ROM Principios básicos de generación y manejo de vapor para mantenimiento mecánico. Manual Carvajal Pulpa y Papel. Sistema de Gestión (G.G. Rajan, “Optimizing Energy Efficiencies in Industry”. Editorial Mc Graw Hill, USA, 2003). Sistema de gestión Energética. Norma ANSI MSE-2000. Centro de gestión energética y medio ambiente de Georgia, USA.[ en línea][consultado 31 de Octubre de 2013] Disponible en: http://www.gatech.edu/economic-development/. SMOOK, Gary A. Handbook for pulp and paper technologists. 2 ed. Canada: Steam Engineering tutorials [en línea]. Argentina: Spirax Sarco, 2007.[en linea] [Consultado 31 de octubre 2013].Disponible en Internet:http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials.asp

84

ANEXOS

Anexo A .Ficha técnica de la caldera de potencia planta 2.

Característica Valor Datos Principales de la Caldera de Potencia

Marca Fives Cail Babcok.

Capacidad de generación 110 ton/h

Presión 65 bar

Temperatura de operación 465º C

Combustible principal Carbón

Combustibles auxiliares Crudo, ACPM

Tipo de caldera Acuatubular

Quemador Tipo forzado, para quemar ACPM Y Crudo

Cuerpo y Aislamiento Cuerpo fabricado en lamina de acero carbón espesores desde 1/8 hasta 5/8” aislado en fibra de vidrio de 3 y 6 “espesor, recubierta con lámina de acero galvanizado calibre 22.

Dos domos, superior e inferior Tubería en acero alto cromo de 63.5 mm de diámetro exterior 4.5 y 3.6 mm de espesor empalmados por expansión cant:940

Volumen del domo superior 8.8 M3

Volumen del domo inferior 3.8 M3

Sobrecalentadores(Superheaters) Primario y secundario de tipo colgante material acero alto cromo SA213T 22 cant:48 und

Función principal Generación de vapor.

Fecha fabricación Año 1983

Sobre carga de generación 400 hora año

85

Anexo B. Ficha técnica de la turbina de vapor planta 2

Característica Valor

Datos Principales de la Turbina Marca TERMODYNE FRAMATORE

Vapor Admisión Presión 62 bar Absoluto Presión 61 bar Gage Flujo Normal 108.3 T/H Flujo Máximo * 135 T/H

Vapor Extracción Presión 12 bar Absoluto Presión 11 bar Gage Flujo Normal 21 T/H Flujo Máximo * 14.81 T/H

Vapor Exhosto Presión 4.5 bar Absoluto Presión 3.5 bar Gage Flujo Normal 87.11 T/H Flujo Máximo * 120 T/H

Potencia de Generador Potencia Normal 12700 kW Potencia Máximo* 17176 kW Tipo 6 MP 6E Temperatura 450°C Caudal 108.3 t/h Tipo rotor Monobloque de 6 Etapas. Nro. de fabricación 671 Velocidad. 6373 RPM Fecha fabricación Año 1981

86

Anexo C. Ficha técnica de tubo digestor pulpa planta 2.

Característica Valor Datos Principales Tubo Digestor

Marca Sunds Desfibrator. Vapor de entrada 25 ton/h Presión 7 bar Temperatura de operación

160º C

Fluido Licor de cocción con bagazo Flujo total 14 ton/h Fluidos adicionales Soda y licor negro Temperatura del licor negro

45°C

Tipo de montaje Horizontal Concentración del licor de cocción

57 gr/L

Concentración del licor de Negro

21 gr/L

Cuerpo del tubo y Aislamiento

Cuerpo del tubo de acero carbón espesor de 3/a” ,aislado en manta de fibra de vidrio de 3 “espesor, recubierta con lámina de acero galvanizado calibre 20.

Tornillo de hélice derecha

Material del tornillo Acero al carbono con un eje central reforzado con un tubo de diámetro de 427 mm el cual soporta las hélices construidas en acero carbón.

Entradas de vapor Diámetros de 2 a 4” Volumen interior del tubo

80%

Diámetro tornillo 915 mm.

Diámetro del Tubo 1524 mm. Longitud del tubo 10973 mm Función principal Transporte de bagazo cocido con licor de cocción y soda Fecha fabricación Año 1985

87

Anexo D. Ficha técnica de lavadoras de pulpa.

Característica Valor Datos Principales Lavadora de Pulpa Blanca

Marca Door Oliver. Vapor de entrada 5.3 ton/h Presión 4 bar Temperatura de operación 34º C a 74°C Fluido Pulpa blanca Flujo total 11,7 ton/h Fluidos adicionales Hipoclorito ,peróxido,dióxido,caustica. Temperatura de la pulpa 34°C Tipo de montaje Horizontal Velocidad rotación 1.4 RPM equiv. 15 .4 m/min Relación de velocidad 70:1 Material del tambor de la lavadora

Acero inoxidable 317L.

Características de la malla de filtración

Material acero inox 316 y plástico termo encogible doble capa ,mesh de 40 x 36

Diámetro del Tambor 3.5 m. Longitud del Tambor 7.32 m. Función principal Blanqueamiento de la pulpa lavada Fecha fabricación Año 1982

88

Anexo E. Calificador niveles de gestión energética en planeación.

89

Anexo F. Calificador niveles de gestión energética en gerencia

90

Anexo G. Calificador niveles de gestión energética en producción y Operacion

91

Anexo H. Calificador niveles de gestión energética en mantenimiento.

92

Anexo I. Calificador niveles de gestión energética en mantenimiento

93

Anexo 1. Calificador niveles de gestión energética en aseguramiento de la calidad

94

Anexo K. Calificador niveles de gestión energética en aseguramiento de la calidad

95

Anexo L. Calificador niveles de gestión energética en comercialización y compras.

96

Anexo LL. Calificador niveles de gestión energética en comercialización y compras.(pag 2)

97

Anexo M. Calificador niveles de gestión energética en gerencia

98

Anexo N. Calificador niveles de gestión energética en gestión ambiental.

99

Anexo Ñ. Calificador niveles de gestión energética en sistemas de información.

100

Anexo O. Calificación total promedio dentro de software de caracterización.

101

Anexo P. Esquema Caldera generadora de Vapor bajo Norma ASME PTC 4

Fuente : Norma ASME PTC 4,Manual Edicion 2008.

102

Anexo Q. Esquema de balance cálculo de eficiencia en Caldera ASME PTC 4

Fuente : Norma ASME PTC 4,Manual Edicion 2008.