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OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION DE UN HORNO DE LLAMA INVERTIDA CON EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL. por FELIPE URIBE SILVA Tesis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia, 2004 ©(Felipe Uribe) 2004
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OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION DE UN HORNO DE
LLAMA INVERTIDA CON EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL.
por
FELIPE URIBE SILVA
Tesis presentada a La Universidad de los Andes
Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica
Bogotá, Colombia, 2004
©(Felipe Uribe) 2004
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Declaro que soy el único autor de la presente tesis Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente. FELIPE URIBE SILVA C.C. 79´955.795 de Santa Fe de Bogota También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de investigación solamente. FELIPE URIBE SILVA C.C. 79´955.795 de Santa Fe de Bogota
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Página del lector
La Universidad de los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección.
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Bogotá, Enero 26 de 2005
Doctor ALVARO PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes
Estimado doctor Álvaro Pinilla
Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado:” OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION DE UN HORNO DE LLAMA INVERTIDA CON EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL” como requisito parcial de grado del programa de pregrado en Ingeniería Mecánica.
Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.
Atentamente,
FELIPE URIBE SILVA.
Cod 199913380
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Resumen
Con el propósito de disminuir la contaminación ambiental generada por la quema
de carbón, y ante las nuevas regulaciones del Departamento Administrativo del
Medio Ambiente D.A.M.A., se diseño un sistema de control para combustión en
un horno intermitente usando como parámetro el análisis de gases.
Se busca tener una producción de oxígeno en los gases de escape inferior a 6%,
con esto se espera una baja contaminación, mientras se genera un ahorro de
combustible, ya que se aumenta la eficiencia del sistema de combustión.
Para implementar este control, se tienen que hacer cambios y variaciones en los
sistemas de inyección existentes. Estos cambios van encaminados a resolver
otros problemas que solo con la implementación del control no se lograrían. Como
son, la generación de productos tales como el NOx, el SOx, y por ultimo el manejo
de desperdicios producto de la degradación total del carbón.
En el quemador usado por el horno se denomina quemador de subfuego, se
diseño y se realizo un cambio en el sistema de inyección de aire, logrando que el
quemador funcione en varias etapas, pasando de un quemador de una sola etapa,
a, un quemador de dos etapas, teniendo inyección de aire de tipo subfuego y
sobrefuego. Esta partición del aire se realizo teniendo que cuenta la emisión de
NOx. El aire se subfuego y sobrefuego se divide en 65% y 35% respectivamente.
Esto garantiza una mejor oxidación del carbón, y reduce la tasa de generación de
NOx, al mismo tiempo desplaza la zona mas caliente hacia arriba y esto es muy
importante ya que no permite que la ceniza ( desecho del carbón ), se funda.
Al fundirse la ceniza impide el libre flujo del aire hacia la zona de combustión.
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El sistema de control funciona en base a un lectura realizada en la chimenea del
horno, esta lectura se hará a través de un sensor de oxigeno, que dependiendo de
el porcentaje existente en los gases genera un voltaje en cual es interpretado por
la unidad de control que toma una acción.
La unidad de control en un microcontrolador, el cual se programa para que realice
la siguiente instrucción: tomar un medida del porcentaje de oxigeno permitido, el
cual se define como un voltaje inicial de trabajo; luego toma la señal del sensor de
oxigeno dispuesto en la chimenea, que será un voltaje entre 0 y 5 voltios,
proporcional entre 0 y 25 por ciento de oxigeno.
Con estas dos señales el control toma una decisión de acuerdo al programa en el
inserto. Si la señal esta por encima de lo deseado, el control ordenara cerrar una
válvula dispuesta en la succión del ventilador que inyecta aire a la zona de
combustión, si la señal esta por debajo de lo deseado el control ordenara abrir
dicha válvula. Esto se hará con un motor de paso, el cual se moverá cada dos
grados dependiendo de la orden del microprocesador.
Esta operación se hará la veces que sea necesario para lograr el equilibro
deseado.
Este sistema necesita de la implementación de sensor de oxigeno capaz de
soportar atmósferas con contenido de azufre alto, dicho sensor es costoso, y la
compañía interesada no dispone de los recursos suficientes para esta inversión,
por tal razón el sistema no se implemento, pero si se construyo el control y el
sistema de accionamiento de control (válvula) y se probo el sistema para ver si
cumple con las expectativas de confiabilidad mecánica. Al mismo tiempo se quiso
caracterizar el comportamiento del caudal entregado por el ventilador variando
entre cero y cien por ciento la apertura de la válvula.
El sistema de control demostró su capacidad para controlar el flujo másico
entregado por el ventilador dependiendo de una sola variable, optimizando la
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entrega de este a la zona de combustión; y aunque no se hacer la instalación
total del sistema, se plantearon modificaciones que según cálculos y software
especializado, presentan un mejoramiento en los procesos de combustión dando
como resultado una cambio sustancial tanto en la entrega de energía al sistema
como una disminución en los elementos contaminantes.
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TABLA DE CONTENIDO
Capitulo 1 Control de combustión 1 Capitulo 2 MARCO TEORICO 2 2.1 Combustión de carbón 2 2.2 Generación de NOx 2 2.3 Generación de SOx 4 2.4 Manejo de Cenizas 5 2.5 Relación Aire / Combustible 6 2.6 Tipo de Carbón existentes y usados 7 2.7 Regulaciones DAMA 9 2.8 Producción de Productos de Gres. 10 Capitulo 3 Descripción del problema 11 3.1 Condiciones actuales de trabajo 11
3.2 Descripción de equipo 12
3.3 Tipo de maquinas usadas 14
3.4 Inyección de aire al combustible 14
3.5 Relación aire / combustible actual 15
Capitulo 4 Planteamiento de soluciones 20 4.1 Modificaciones Planteadas y sus Justificación 20
4.2 Sensor de oxigeno. 21
4.3 Alimentación de aire 22
4.4 Cambios en el quemador 22
4.5 Sistema de control 26
4.6 Lógica del Microcontrolador 28 Capitulo 5 Pruebas e Tubos Moore S.A. 35 5.1 Lugar de pruebas 35
5.2 Simulación 35
5.3 Procedimiento 40
5.4 Resultados 41
Conclusiones y Recomendaciones 43
Referencias
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Lista de Figuras
Titulo Página Figura 2.1 Zona donde ocurre la fusión y ceniza y generación del
Clinker. 5
Figura 2.2 Productos de combustión de CH4. 7 Figura 3.1 Horno Colmena. 13 Figura 3.2 Diagrama de flujo de gases de combustión. 14 Figura 4.1 Stoker modificado. 24 Figura 4.2 Circuito del sistema de control. 33 Figura 5.1 Ducto con aire primario y aire secundario. 36 Figura 5.2 Ventilador con sistema de control instalado. 38 Figura 5.3 Montaje del circuito de control. 38 Figura 5.4 Válvula de control tipo mariposa. 39 Figura 5.5 Montaje del sistema junto con manómetro de
medición. 40
Figura 6.1 Comportamiento del ventilador. 42
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Lista deTablas
Titulo Página Tabla 2.1 Clasificación del carbón 8 Tabla 3.1 Análisis próximo del carbón 17 Tabla 3.2 Análisis ultimo del carbón 17 Tabla 3.3 Análisis de gases realizado por consultora INAMCO 18 Tabla 4.1 Reactivos y productos de combustión de carbón usando
el 65 % de oxigeno 25
Tabla 5.1 Variables usadas 41
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Capitulo 1
1.1 Control de Combustión
A mediados de los años cincuenta, en Estados Unidos, se creo una legislación
para lidiar con el problema de las emisiones. Esta se llamó, Acta para Control de
la polución de Aire de 1955, donde se generaron recursos para la investigación
sobre los problemas generados debido a la contaminación del aire.
Luego en el año 1963 se creo una legislación para regular a las fuentes de
contaminación estacionarias como plantas de generación de energía, plantas
químicas, acerias, productoras de cemento, vidrio y gres, entre otras industrias. En
esta legislación se obligó a la utilización de tecnología para la eliminación de
contenido de azufre en los combustibles.
En 1965 se entendió que los vehículos también eran una fuente importante de
polución al medio ambiente y también comenzó su regulación.
El siguiente cambio importante en la legislación se presento en 1970 y 1980,
cuando se estableció de forma casi universal, donde los países involucrados a
cumplir estas regulaciones eran U.S.A., Canadá, Japón, y gran parte de la
Comunidad Económica Europa.
Los países líderes en el estudio en implementación de sistemas de control sobre
sistemas de combustión a base de carbón mineral han sido U.S.A., Alemania, y
Japón en orden respectivo. [1]
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Capitulo 2
MARCO TEORICO
2.1 COMBUSTIÓN DE CARBÓN
Este es un proceso termoquímico en la cual un sólido, en este caso el carbón
libera su energía mediante la aplicación de calor y oxigeno, como primer paso de
la combustión el carbón se destila formando gases que aun tienen poder de
oxidación, en cuanto se destilan los compuestos volátiles, el sustrato carbonoso
que es un producto se dicha destilación se oxida hasta quedar en cecinas,
liberando así toda su energía.
Los combustibles tienen una composición general de carbono, hidrógeno y azufre
como elementos que producen calor, y otros tantos como nitrógeno oxigeno
pequeñas cantidades de vanadio, níquel, sodio, etc.[ 3 ]
Reacciones del Carbón:
La combustión puede considerarse como una mezcla de las siguientes reacciones:
• C (s) + O2 (g) CO 2 (g) + CALOR
• H2(g) + 1/2O2(g) H2O (g) + CALOR
• S(s) + 1/2O2 (g) SO2 (g) + CALOR
En la oxidación del carbón los productos se incrementan debido a la composición
natural de este donde se encuentran altos contenidos de Nitrógeno y Oxígeno. [8]
2. 2 GENERACIÓN DE NOx
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La combustión de cualquier combustible fósil genera cierta cantidad de NOx, esto
se debe a la alta temperatura y la existencia de una atmósfera rica en oxigeno.
Las Emisiones de procesos de quema son en su mayoría – 90 % a 95 % [2] - de
oxido de nitrógeno, el cual al salir con la atmósfera se vuelve a oxidar formando el
muy conocido Dióxido de Nitrógeno NO2.
Los problemas que genera este tipo de productos en la atmósfera son:
o Smog urbano: Reacción entre hidrocarburo, el NO2 y la luz solar.
o Lluvia Ácida: Reacción con hidroxilos.
Existen dos mecanismos comunes de formación de NOx: el NOx térmico, y el NOx
de combustibles.
El NOx térmico se refiere al formado a través de la alta temperatura en la cual se
genera la combustión, la rata de formación del NOx, es directamente proporcional
a la temperatura y al tiempo de permanencia en la zona de combustión.
A temperaturas de mayores de 1200 grados centígrados, se generan niveles
importantes de NOx, con esta temperatura los átomos de O2 y N2 se disocian y
forman las siguientes reacciones que se consideran como las más importantes:
• Principales Reacciones del Nitrógeno:
N2 + O NO + N
N + O2 NO + O N + HO NO + H
Otro mecanismo se denomina el NOx de combustible; este mecanismo de
generación produce la mayor parte de los óxidos de nitrógeno al medio ambiente,
ocurre durante la destilación del combustible y se reacciones no son del todo
entendidas. Durante la destilación del carbón se generan compuestos intermedio
los cuales se oxidan para formar NO, o se reducen para formar NO2 en la Zona de
poscombustión. Este tipo de reacciones están altamente ligadas a la relación de
Aire / Combustible existente durante el proceso de quema, pero no tiene
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dependencia de la temperatura de la zona de combustión, pero esta razón la
mejor forma de controlar esta emisiones es a través de la combustión por etapas.
En la etapa inicial se busca reducir la cantidad de oxigeno disponible, así se logra
que el nitrógeno producido se reduzca a N2, ya que los radicales de hidrocarburos
compiten por el oxigeno disponible.
La formación de compuestos de nitrógeno se debe a dos factores, el primero es
una temperatura alta, la otra es una atmósfera rica en oxigeno disponible con el
cual se oxida. La forma mas simple de controlar es reducir los picos y la
temperatura de llama adiabática, y teniendo una combustión por etapas.
Los óxidos de nitrógeno reaccionan con el vapor de agua dando así:
NO2 + OH HNO3
Siendo unos de los componentes principales de la lluvia ácida.[2]
2.3 GENERACIÓN DE SOx
La emisión de SO2 ha estado siempre presente en el medio ambiente, es
producida por la descomposición de la materia y emitidas a la atmósfera, siendo
estas emisiones fácilmente absorbidas por el medio.
Pero cuando se realiza la combustión de hidrocarburos, se generan grandes
cantidades de SO2 sobre puntos localizados que hacen que la atmósfera y el
medio ambiente se sature y pueda absorber dichas cantidades en su totalidad.
• Principales reacciones del Azufre:
S2 + 2O2 2SO2
Cuando los óxidos de azufre se combinan con el agua forman soluciones de ácido
sulfúrico como por ejemplo:
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SO(g) + H2O(l) H2SO3(sol) (1)
O(g) + 2H2SO3 (sol) 2H2SO4(sol) (2)
El compuesto formado debido a la reacción del oxido de azufre con el agua el un
compuesto acuoso denominado lluvia ácida.
La generación de estos dos compuestos durante la combustión es casi imposible,
pero existen métodos de control de emisiones para estos compuestos, los cuales
se mencionarán mas adelante. [2]
2.4 Manejo de Cenizas.
Otro de los productos relacionados con la combustión de Carbón mineral es la
Ceniza, que es lo que queda – en estado sólido- después de realizada todos los
procesos de oxidación del combustible. La ceniza es relativamente pequeña y es
compuesta en su mayoría por Sílice, por esta razón es muy abrasiva.
La remoción de la ceniza debe realizarse cuando esta fría y no ha formado clinker
[2], pero esto es muy difícil de controlar debido a las características del quemador
actual usado.
Cuando la ceniza alcanza la temperatura de fusión, pasa de un estado sólido a un
estado viscoelástico y cuando se enfría su estado final es parecido al de un vidrio
(SiO2), a esto se le denomina clinker y aunque frágil es bastante duro. Este tipo de
clinker hace que el flujo de aire sea más difícil por que genera una capa vítrea
justo encima de la zona de combustión. [2]
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Figura 2.1 Zona de fusión de Cenizas y formación de Clinker
Tomado de: www.localhistory.scit.wlv.ac.uk/Museum/Engineering/Bigwood/Bigwood1.htm
La temperatura de la fusión de ceniza varía un poco de acuerdo al tipo de carbón
utilizado.
2.5 RELACION AIRE / COMBUSTIBLE:
Para que ocurra combustión se necesita de un combustible y un oxidante, esta
mezcla debe poseer varias propiedades para que funcione de forma óptima;
Primero se necesita una buena mezcla; segundo, al menos el aire necesario para
la totalidad de la oxidación del combustible, tercero, gozar de tiempo suficiente
para la combustión y por ultimo, una buena temperatura en el hogar. A medida
que estos cuatro parámetros se alcanzan la combustión se vuelve más eficiente y
produce menos productos contaminantes a la atmósfera. [3]
Los combustibles están compuestos a base de Carbono e Hidrógeno, y cuando
son puestos en contacto con oxígeno, forman óxidos de Carbono, y agua; pero el
carbón presenta un contenido de azufre, lo que genera en los gases de
combustión óxidos de azufre los cuales son altamente dañinos.
Los Productos de la Combustión del carbón son:
CO2, H2O, CO, SOx, NOx, C, O2.
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• Cuando se tiene la cantidad de aire estequiométrico para la combustión,
se genera la mayor cantidad de CO2 posible, y el resto del oxigeno
reacciona con el hidrógeno formando agua.
• Cuando se tiene insuficiencia de aire, se forma CO2, H2O, CO, H2 y queda
combustible incombusto.
• Cuando se tiene exceso de aire, se forma CO2, H2O, y O2, y queda
igualmente combustible incombusto. [12]
Grafica 2.1 combustión de CH4 1
Productos de Combustion CH4
0.00E+00
4.00E-02
8.00E-02
1.20E-01
1.60E-01
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
Radio Aire Teorico /Aire Real
Frac
cion
Mol
ar e
n la
fase
CO2COO2
En esta gráfica se aprecia que a medida que aumenta la relación de aire /
combustible, por encima de la razón estequiométrica, se incrementa el contenido
de Oxigeno en los productos de la combustión. Con el porcentaje de Oxigeno
conocido se puede determinar la cantidad de aire en exceso existente. Aunque
para hacer un control mas preciso es necesario, tener mas medidas del sistema,
solo con el porcentaje de oxigeno es suficiente.
1 Para esta grafica se elimino el % de N2 y O2, debido a que su escala es mucho mas grande, pero su porcentajes se van reduciendo a medida de aumenta el Lamda. Grafica hecha en Excel con datos obtenidos del programa en D.O.S. llamado Stanjan.
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El carbón al tener presente el azufre, va a generar un porcentaje de óxidos de
azufre, SOx, que es proporcional a la relación aire / combustible; también por las
altas temperaturas y el exceso de aire, se va incrementar la tasa de generación
de NOx, estos dos productos son los mas contaminantes y aunque ya existe
formas de reducir su emisión, no están implementadas de una forma amplia. [3]
2.6 TIPO DE CARBON EXISTENTES Y USADOS
En Colombia existen diferentes formaciones geológicas que datan de diferentes
edades, dando así diferentes calidades de carbón, y esto se debe a la “edad” de
dichas formaciones. La calidad del carbón se puede medir en la edad de
descomposición de este en el subsuelo, a medida que aumenta su edad aumenta
su poder calorífico. [3]
El carbón usado en el centro del país es obtenido de los departamentos de
Cundinamarca y de Boyacá, donde se encuentran varios tipos de este:
Clasificación del Carbón
Tabla 2.1 Clasificación del carbón Mineral (ASTM D 388) [5] CLASE GRUPO 1. Antracita Metaantrasita
Antracita Semiantracita
2. Bituminoso Carbón bituminoso poco volátil Carbón bituminoso de volatilidad media Carbón bituminoso A Alta volatilidad Carbón bituminoso B Alta volatilidad Carbón bituminoso C Alta volatilidad
3. Subituminoso Carbón subituminoso A Carbón subituminoso B Carbón subituminoso C
4. Lignitico Lignitico A Lignitico B
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En Cundinamarca el carbón se encuentra en la formación Guaduas ubicada en la
cordillera oriental y de esta zona se pueden extraer carbones Bituminosos con
altos contenidos en Volátiles. En Boyacá tenemos tres zonas importante: La
primera es Tunja-Duitama donde se pueden encontrar carbones subituminosos
hasta Bituminosos grado C altos en Volátiles, Otra zona importante es Sogamoso-
Jericó, aquí se encuentran principalmente carbones Bituminosos B y C altos en
volátiles
Estos carbones con altos contenidos en volátiles son lo que se denominan como
carbones coquizables, los cuales son de amplia utilidad, en especial para industria
siderurgica, aunque también se usa de forma muy amplia como carbón térmico.
[15]
Los precios del carbón han aumentado en lo corrido del año 2004, presentándose
en un incremento en el precio de casi un 200%, esto se debe al alto consumo
mundial de carbón coquizable por parte de las siderurgicas, y, a que el gremio
carbonero del centro del país ha logrado implementar con éxito planes de
exportación obteniendo cabida a mercados donde se puede obtener un mejor
precio, incrementando de esa forma los precios internos de este combustible.
2.7 Regulaciones DAMA
El Departamento Técnico Administrativo de Medio Ambiente - D.A.M.A – es el
ente encargado de controlar y hacer cumplir las normas y decretos en cuanto a
contaminación ambiental se refiere. La legislación vigente en cuanto a la
contaminación de medio ambiente y calidad de Aire es el Decreto 948 de 1995,
en cual es una reglamentación parcial de tres diferentes leyes y decretos Ley :
1. Ley 23 de 1973.
2. Decreto Ley 2811 de 1974.
3. Ley 99 de 1993.
En esta se diferencian 4 tipos de contaminación:
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–Nivel normal (Nivel I): concentración de contaminantes en el aire, que no se
producen efectos nocivos, directos ni indirectos, en el medio ambiente, o la salud
humana.
–Nivel de prevención (Nivel II): concentraciones de los contaminantes en el aire,
causan efectos adversos y manifiestos, aunque leves, en la salud humana o en el
medio ambiente.
– Nivel de alerta (Nivel III): concentración de contaminantes en el aire, puede
causar alteraciones manifiestas en el medio ambiente o la salud humana y en
especial alteraciones de algunas funciones fisiológicas vitales, enfermedades
crónicas en organismos vivos y reducción de la expectativa de vida de la población
expuesta.
– Nivel de emergencia (Nivel IV): concentración de contaminantes en el aire,
puede causar enfermedades agudas o graves u ocasionar la muerte de
organismos vivos, y en especial de los seres humanos. [7]
En cuanto a las emisiones producidas por fuentes estacionarias de combustión de
hidrocarburos, se tiene que cumplir los decretos 86 y 97 donde se regula la
obtención de permisos y licencias de funcionamiento con vigencia de 5 años
prorrogables con la presentación de un "Informe de Estado de Emisiones'' (IE-1)
obtenido de l articulo 86 del decreto 948 de 1995. [7]
Para el año 2005 se empezar a controla las emisiones de CO y de azufre, razón
por la cual para la empresa es importante iniciar proyectos que buscan la
reducción y control de emisión de contaminantes.
2.8 Producción de Productos de Gres.
Los Productos manufacturados por la empresa Tubos Moore S.A., son usados en
la construcción de edificaciones, estos comprenden ladrillos, Bloques, pisos,
chafaletas y cubiertas, todos estos productos se fabrican a base de arcilla, y luego
son llevados a cocción donde se da su acabado final
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Para la producción de estos elementos se usa la arcilla la cual es molida, luego,
es extruida en las diferentes formas de los productos.
Estos productos tienen un alto porcentaje de agua en su interior – entre 15 y el 25
% - el cual tiene que ser retirado – no totalmente – antes de entrar a los hornos
para realizar su cocción.
Para el proceso de cocción se usan hornos a base carbón, llamados hornos
colmena. [14]
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Capitulo 3
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Descripción General: 3.1 Condiciones Actuales de Trabajo
La planta de producción de Tubos Moore cuenta con hornos colmena (25
unidades), en los cuales se quema carbón mineral para la cocción de productos de
gres, esta quema se realiza mediante equipos de inyección de aire y carbón por
acción mecánica, integrados en una sola unidad llamados STOKERS, los equipos
fueron adquiridos por la compañía hace mas de veinte años.
En estos quemadores en donde se hace la combustión del carbón, esto ocurre
dentro de los hornos, y los gases producidos o de escape son puestos en contacto
con el material donde se genera una transferencia de calor y se logra la cocción
del producto.
Cuando se hizo la instalación de estos quemadores se realizó una capacitación
por parte del vendedor, se instalaron los controles y se diseñó un protocolo de
manejo de acuerdo al tipo de carga existente en los hornos, también se dejo en los
archivos de la compañía un manual de operación, mantenimiento y reparación de
los equipos, con sus referencias y especificaciones técnicas.
Al día de hoy, no existe un equipo que conserve los controles puestos por parte
del fabricante, ni tampoco existe el mencionado protocolo, el cual debió ser
cambiado para adaptarse a las condiciones actuales del equipo; tampoco existe
un conocimiento por parte de los mecánicos acerca de la originalidad de los
equipos y solo se cuenta con los manuales de operación, mantenimiento y
reparación de los equipos. [14]
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El problema consiste en que, en los quemadores no existe forma de controlar la
relación aire / combustible ( debido a su desmantelamiento ), ni tampoco de saber
si dicha relación es correcta o al menos cercana a la ideal, lo cual genera altos
costos de producción debido a los altos consumos de carbón registrados en los
últimos años; por esta razón se quiere modificar el sistema de alimentación de Aire
para lograr un control sobre la combustión y a su vez la instalación de un sensor
en la chimenea de los hornos, una válvula en la inyección de aire y modificaciones
secundarias en el quemador.
3.2 Descripción del Equipo
Horno Usado: Horno Tipo COLMENA o de llama invertida. Estos hornos son
hechos en los mismos ladrillos que hace la compañía, son cilíndricos con una
cúpula, y tienen 4 quemadores distribuidos simétricamente en su periferia, en los
cuales se encuentran los Stokers, en cada quemador existe un parrilla, y una zona
de quema, delimitada por un muro que confina la zona de quema y direcciona los
gases hacia la cúpula, este espacio se denomina el espacio de combustión. [13]
La parte central del horno conforma lo que se denomina la bóveda, en este lugar
es donde se pone el material a quemar, el cual se apoya en un suelo perforado
donde se encuentran los caños o tubería de extracción de gases que luego son
llevado a la Chimenea La disposición de los hornos hace que ellos compartan entre si una chimenea por
cada dos hornos, la comunicación entre la chimenea y los caños del los hornos
esta restringida por una barrera física, la cual se retira cuando alguno de los
hornos va a entrar en funcionamiento.
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Figura 3.1 Horno Colmena
Espacio de Combustión: Esta es la zona donde el carbón y el aire se mezclan
para dar inicio a la combustión, es aquí donde el carbón se destila, y esos volátiles
se oxidan con el oxigeno presente, luego de su destilación, el sustrato carbono
restante se termina de oxidar hasta llegar a las cenizas. Se puede describir como
un cajón que rodea la zona de combustión ubicado en la parte interna del horno.
[2].
Chimenea: Los gases de escape golpean la cúpula y luego bajan y entran en
contacto con el material frío, provocando un cambio de temperatura en este, luego
llegan al suelo perforado y es conducido por los caños hacia la chimenea, donde
son expulsados.
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Figura 3.2 Diagrama del flujo de gases.
3.3 TIPO DE MAQUINAS USADAS:
STOKER:
1. Ventilador, que inyecta el aire necesario para la combustión.
2. Reductor de Velocidades que mueve el tornillos sinfín de alimentación.
3. Retorta: Parrilla donde el carbón se esparce.
4. “Tuyeres” Desviadores de aire para una combustión homogénea
5. Depósitos de Ceniza. [17]
3.4 INYECCIÓN DE AIRE AL COMBUSTIBLE
El horno colmena cuenta, como se dijo anteriormente, de cuatro ( 4 ) quemadores
y cada uno de ellos cuenta con un ducto que inyecta carbón y otro que inyecta
aire, cada ducto de aire representa un flujo de aire necesario para la mezcla en
cada quemador, el cual se podía controlar por medio de las válvula instaladas por
el fabricante que actualmente no existen.
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Al existir 4 quemadores, debería existir 4 válvulas de control, se necesitarían a
su vez cuatro accionadores electromecánicos para dichas válvula, por esta razón
se estudió un cambio en el sistema de inyección de aire, donde el flujo
inicialmente de aire es llevado por un solo ducto, pero, por costos y dificulta
implementación es mas fácil instalar los cuatro mecanismos de control.
Punto de operación
Al conocer el estado actual de las máquinas se aprecia a simple vista un descuido
por parte de la compañía en sus equipos y se puede concluir que la quema no se
esta haciendo bajo parámetros conocidos del sistema, lo que ocasiona una baja
eficiencia de la maquina (horno colmena), genera problemas ambientales y
aumenta los costos de producción.
En los Stokers, la falta de elementos de control hace muy difícil la tarea de
mantener una entrega de energía uniforme al sistema y promueve la generación
en altas tasas de gases tóxicos como los son el NO2 y SO2; y por ultimo, hace
difícil el manejo de los desechos del carbón, las cenizas.
3.5 RELACION AIRE / COMBUSTIBLE ACTUAL
Para optimizar la combustión en un quemador, necesitamos saber la relación
exacta entre el combustible a quemar y el combustor, de esta forma aseguraremos
que todo el combustible, (o la mayoría) de este se queme.
La relación de aire / combustible, en combustibles denominados como
homogéneos , como lo son el gas natural ( CH4 ), o el propano ( C3H8), tienen
una relación definida y casi estándar, pero en el caso del carbón esta relación
varia de acuerdo a la composición de este, determinada en el análisis próximo y
último.
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El carbón esta compuestos como se dijo anteriormente por Carbono fijo,
Hidrógeno, Azufre, Oxigeno, Nitrógeno y Ceniza. Cuando estas relaciones
cambian, cambia a su vez la cantidad en Kg de aire necesaria para una buena
combustión.
Los elementos consumidores de Oxigeno son: Carbono, Hidrogeno y Azufre,
formando los conocidos Óxidos de Carbono y Azufre, y Agua.
• Por cada Kg de Carbono, se necesita 2.66 Kg de Oxigeno
• Por cada Kg de Hidrogeno, se necesita 7.94 Kg de Oxigeno
• Por cada Kg de Azufre, se necesita 0.998 Kg de Oxigeno
Cuando se realiza la quema de carbón estos compuestos se oxidan, pero también
existe una liberación del oxigeno presente en el combustible la cual reacciona con
los elementos que constituyen el combustible. Este oxigeno existente es
descontado del necesario para formar los compuestos antes mencionados.
Luego de hallarse el oxigeno necesario para la oxidación anterior, hay que tener
presente que una parte del combustible, se quedara atrapado por la cenizas, lo
cual es carbono inquemado que tiene todavía la capacidad de oxidarse en
presencia de oxigeno, y ese oxigeno representa el exceso de aire que se debe
inyectar en la mezcla para que exista un combustión optima.
Para el cálculo del oxígeno necesario de combustión se necesitan dos parámetros:
Oxigeno necesario para la generación de los productos.
Oxigeno necesario para la quema de los inquemados.
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Al realizar el análisis próximo del carbón logramos determinar los porcentajes
constituyentes de este, pero es necesario conocer su composición de forma más
detallada con un análisis último, y realizar a su vez un análisis de los gases de
combustión durante el proceso de quema. [3]
Composición CARBON TUBOS MOORE S.A. [16]
Análisis Próximo
Tabla 3.1 Analizas Próximo Carbón Tubos Moore
Elemento % peso
Carbón 44.15
Volátiles 33.5
H2O 2.1
Cenizas 20.25
Análisis Último:
Tabla 3.2 Analizas Ultimo Carbón Tubos Moore
Elemento % peso
Carbón 51.44
Hidrogeno 3.7272
Oxigeno 17.4324
Nitrógeno 1.164
Azufre 3.88
H2O 2.1
Cenizas 20.25
Poder Calorífico Superior 7000 K Cal / Kg.
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Análisis de Gases de combustión [9]:
Tabla 3.3 Analizas Gases INAMCO
Seca Húmeda CO2 3.5 3.2CO2 0 0.0O2 17 15.6N2 79.5 73.2Humedad 8.0
Con estos datos ya podemos empezar al calcular la cantidad de oxigeno necesaria
para la optima combustión del quemador [3]:
Para el carbono presente de la tabla 2: 0.5144 Kg Carbón * 2.66 Kg O2/ Kg
Carbono
1.36 Kg O2
Para el hidrogeno presente de la tabla 2: 0.3722 Kg Carbón* 7.94 Kg O2/ Kg
Hidrogeno
0.296 Kg O2
Para el hidrogeno presente de la tabla 2: 0.3722 Kg Carbón * 0.998 Kg O2/ Kg
Azufre
0.0387 Kg O2
Oxigeno presente de la tabla 2: 0.1743 Kg O2.
Sumando la cantidad de oxigeno necesaria para la oxidación del Carbono, Azufre
e Hidrógeno, y restando la cantidad de oxigeno en el combustible, encontramos la
cantidad de aire estequiométrica para la combustión del carbón
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Cantidad de Kg de AIRE 1.52 Kg O2 * 4.29 Kg Aire / Kg O2
6.55 Kg de AIRE / Kg Carbón
Ahora encontraremos la cantidad de exceso de aire para completar la combustión
de los inquemados:
Se encontró en pruebas hechas por la compañía que el 25 % de la ceniza en
peso, era carbón atrapado, eso no da que la ceniza posee un poder calorífico igual
a 350 K Cal / Kg.
C i = ( 350 / 7000 ) * 0.2 = 0.01 Kg Carbono / Kg Combustible
Cq = 0.5144 - 0.01 = 0.5044
De la tabla 3, obtenemos 79.5 % N2 de la tabla 2 obtenemos 1.164 % N2
Aire / Comb = { [ 0.795*28 / (( 0.035 + 0 ) * 12) ] - 0.01164 } / 0.7658
Aire / Comb = 50 kg de aire / Kg Carbón.
Esto nos da un exceso de aire Existente del 664 %, en la mezcla.
Este valor es muy alto, y se estima que su valor real sea de un 200 %; la falta de
datos como lo son la cantidad de CO producido hace que este valor obtenido de
exceso de aire no sea real, pero si se advierte que existe un exceso de O2 en los
gases, por ende un exceso de aire en la relación aire / combustible.
Cuando se tiene defecto o exceso de aire se generan varios problemas, que le
restan energía a entregar, al combustible:
1. Temperatura de llama Baja.
2. Un hogar frió.
3. Reacción de compuestos mas nocivos al medioambiente.
4. Carbón sin quemar que se pierde en las cenizas (atrapado).
5. Generación de Material Particulado (carbón inquemado). [3]
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Capitulo 4.
SOLUCIONES AL PROBLEMA
4. Modificaciones Planteadas y sus Justificación:
Para lograr un control general sobre la relación de aire / combustible, es necesario
conocer el estado de funcionamiento del horno de forma continua, así mismo se
requiere de una modificación en la alimentación del combustor para lograr un
control efectivo sobre el sistema de forma sencilla.
Para esto se desea instalar un sensor de Oxigeno (O2) en la salida de la
chimenea y observar su comportamiento, partiendo de la base que, a medida que
aumenta la cantidad de oxigeno (% en volumen) se esta teniendo un incremento
en la cantidad de aire necesario para lograr un buena combustión.
La instalación de este sensor requiere de un equipo complementario de soporte
que sea capaz de leer e interpretar su respuesta y luego realizar una acción sobre
una de las variables que controlan el sistema, este equipo es un microprocesador,
el cual lee la señal del sensor en voltaje y de acuerdo a sus instrucciones internas
accionara el mecanismo de control
Para la instalación del mecanismo de control, se debe hacer una variación en el
ventilador que hace la inyección de aire hacia el quemador.
De forma obligatoria se tiene que realizar cambios en el sistema de alimentación
de aire para lograr un buen funcionamiento del equipo, ya que ha sido modificado.
4.1 SENSOR DE OXIGENO
Transmisor de Oxigeno OXYMETTER 4000.
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Este sensor esta diseñado para aplicación industrial en especial para procesos
de oxidación de combustibles, donde es posicionada en el ducto de escape y
puede realizar su trabajo si necesidad que los productos de la combustión
calienten la sonda.
Este equipo contiene una celda electroquímica calentada de forma independiente
que esta hecha a base de un disco de Zirconio, rodeado por dos capas porosas
con electrodos metálicos. Cuando el equipo esta en la temperatura optima de
operación detecta el cambio de presión parcial del O2 en la mezcla de gases y es
comparado con el Aire de referencia (O2 20.95% ), En este momento, los iones
de oxigeno viajan desde la zona de presión alta a la mas baja; cuando esto pasa
se tiene un cambio de corriente que se modela con la de Nernst:
CPP
TKEMF +=2
110log**
Donde: K Constante aritmética
T Temperatura Absoluta
P1 Presión parcial del oxigeno de referencia
P2 Presión parcial del oxigeno en el gas medido
C Constante de la Celda.
La señal es proporcional a logarítmico inverso de la concentración de Oxigeno,
por lo tanto, la señal de salida aumenta cuando la concentración de oxigeno de la
muestra gaseosa disminuye.
El sensor es capaz de registrar hasta un 25 % oxigeno y registra una señal de 4 a
20 mA la cual el inversamente proporcional a la concertación oxigeno. [11]
Lugar de instalación:
Para lograr una medida estable se instalara la sonda dentro de la chimenea que
conduce los gases a la atmósfera a una altura de 3.5 metros del suelo, y la sonda
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deberá estar en el centro de la zona transversal de la chimenea, la cual tiene
una sección cuadrada de un metro por un metro, esta disposición se obtiene del
procedimiento de Análisis Isocinetico realizado por la consultora INAMCO,
compañía que realiza los dichos estudios para la empresa desde hace varios años
atrás.
4.3 ALIMENTACIÓN DE AIRE
El quemador ( STOKER ) cuenta con un ventilador centrífugo que le proporciona el
aire para la combustión. La capacidad del ventilador es:
Ventilador Centrífugo Century R-207
Motor de 5 HP
Capacidad 1200 CFM ( 0.57 m^3/s )
Tubería Cuadrada de 210 mm
Ducto lamina galvanizada de 4 mm
4.4 CAMBIOS EN EL QUEMADOR
El quemador usado por Tubos MOORE es su hornos es de tipo Underfeed[2]
donde el carbón entra en la parte mas baja de este, y así mismo es la entrada de
aire, y la descarga de ceniza se hace de forma horizontal. Este tipo de quemador
es el menos eficiente ya que no se tiene una buena mezcla del carbón con el
oxigeno, y exige que el aire introducido lleve una velocidad alta para generar
turbulencia y así producir poco humo; pero esta alta velocidad del aire genera a su
vez otro problema, que la partículas finas del carbón son arrastradas por el
torrente y no se queman, y se genera material particulado, otro inconveniente es
que, en este tipo de quemador se incrementa la probabilidad de creación del
clinker ( ceniza fundida ) ya que la zona mas caliente se genera en la parte
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superior y hace que la ceniza se funda, lo que hace que el flujo de aire se
bloquee debido a su estado viscoelastico.
También se ha encontrado que con este tipo de quemadores, la tasa de
generación de NOx y SOx se incrementa a diferencia de otros equipos de quema
de carbón.
Este equipo se denomina equipo de quema en una sola etapa, por que se espera
que el carbón destile sus volátiles mientras llega a la parte de los costados de la
retorta y luego se convierta en ceniza.
Se quiere hacer de este quemador, un equipo que sea menos problemático en su
funcionamiento, y a su vez menos contaminante.
Se hará de la combustión en el quemador un proceso en etapas, este tipo de
quema genera las siguientes ventajas:
• Reduce la Tasa de Creación de NOx y SOx
• Garantiza que gran parte del Carbono fijo se oxide
• Desplaza la zona caliente de quema a un nivel mas alto
• Evita la fusión de la ceniza
Para lograr esto se necesita una alimentación del aire de combustión en dos
etapas, para eso se utiliza la división del flujo de aire; uno denominado subfuego, y
el otro sobrefuego; la cantidad de aire recomendado para el subfuego y el
sobrefuego es 65 % y 35 % [2] respectivamente del aire necesario para lograr un
combustión completa.
Otra razón para optar por este tipo de quema (etapas) radica en la calidad de
carbón usado por parte de la compañía. Para el quemador de una etapa se
recomienda un carbón con un porcentaje de ceniza en peso entre 5 % y 10 %[4], y
para un quemador de dos etapas se recomienda un carbón con 18 % mínimo de
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material volátil y un contenido de ceniza del 15 máximo; actualmente se esta
usando un carbón que muestra entre un 12 % y 20 % de ceniza.
Figura 4.1 Stoker modificado.
Temperatura Adiabática:
Esta es la temperatura máxima a la cual los productos de la combustión pueden
llegar si no existe intercambio de calor con los alrededores, trabajo ni cambios en
la energía potencial y cinética envuelta en la reacción
Determinar la temperatura de flama adiabática nos clarifica los materiales que se
pueden usar en la reconstrucción del quemador con sus modificaciones, además
esta temperatura es la que define si la ceniza se fundirá o no. Se puede obtener
la relación de aire necesaria para evitar que la ceniza se funda, esto se hace a
través de:
• Combustión en Etapas:
Se realiza la combustión por etapas y se hacen dos zonas de quema donde las
temperaturas serán distintas debido a las reacciones allí envueltas, en la zona
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donde el carbón se destila y pasa al sustrato carbonoso se denominara la
zona primaria y en esta se realiza un combustión incompleta con
aproximadamente el 65 % del aire usado. [2]
La zona donde se espera completar la combustión se llama la zona secundaria
y en esta se inyecta la cantidad de aire restante para la oxidación de los
volátiles obtenidos de la destilación del carbón en la primera etapa.
Las reacciones obtenidas en la primera etapa son:
o C + 0.5 O2 CO + C + Calor
ENTRA SALE
Reactivos Moles H de formación Productos Moles H de formación
C 1 0 CO 0.65 -70.121 O2 0.5*0.65 0 N2 1.22 39.983
N2 1.22 0 C incombusto 0.35 0
Tabla 4.1 Reactivos y Productos de combustión al 65 % de oxigeno
Asumiendo un proceso adiabático e isotérmico, y usando un programa [4] tenemos
que la temperatura Máxima alcanzada es de 1271 ° C, y esta temperatura es
menor a la temperatura a la cual se espera que se funda la ceniza; hay que tener
en cuenta que la temperatura del hogar va a ser menor debido a la transferencia
de calor que existe con los alrededores, esta perdida se estima en un 20% a 30
%, lo que nos daría un temperatura máxima alcanzada del hogar de 1015 ° C, y
así se evita la fusión de la ceniza que genera inconvenientes antes mencionados.
En cuanto a al zona secundaria, se tendrá una temperatura mas alta y es de
acuerdo a esta temperatura que se escoge el material del cual se va a realizar el
inyector del aire secundario. Se decidió utilizar los materiales existentes en la
planta como tubería de Gres de pequeño diámetro - 6 “-, pero con la alta
temperatura se podría fundir durante la operación del horno, por esta razón se
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decidió construir un aislamiento para el tubo de 6 pulgadas con ladrillo
refractario y así evitar la fusión de este.
4.5 SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control consta de un microcontrolador el cual se encarga de tomar
decisiones sobre la válvula a controlar de acuerdo a los parámetros insertos; y a
los parámetros de comportamiento del horno, los cuales son transmitidos por
medio del sensor de oxigeno
El microcontrolador es un PIC de MICROCHIP, y tiene la siguiente función:
• Definir un punto de operación: Esta asociado con la cantidad de oxigeno
que se desea obtener en la mezcla. Expresada en voltios
• Recibir una señal de parte del sensor: Esta señal muestra el estado del
horno y se define como cantidad de oxigeno. Expresada en voltios.
• Hacer la operación de comparación: La señal del sensor debe estar lo mas
cercano posible al punto de operación.
Si la señal esta por encima del punto máximo de operación
cerrar la válvula
Si la señal esta en el rango del punto de operación no
intervenir
Si la esta por debajo del punto de mínimo de operación abrir
válvula
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El sistema requiere un tiempo de estabilización el cual esta relacionado con el
tipo de combustible usado en este caso se usa carbón mineral que a diferencias
de los gases de combustibles como Gas Natura o GLP, su tiempo de respuesta es
lento.
Por esta, el tiempo de estabilización del sistema no será de gran importancia.
El microcontrolador hará una evaluación del sistema cada 5 minutos, y de esa
forma hará una corrección sobre la cantidad de aire que entra en la mezcla.
El micro controlador moverá un motor de paso el cual esta conectado en forma
directa a la válvula que regula la cantidad de aire que el ventilador puede tomar de
la succión
Microcontrolador
El equipo utilizado es un Microcontrolador Marca PIC, manufacturado por
MICROCHIP, tipo PIC 16F873A.
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4.6 LÓGICA DEL MICROCONTROLADOR [18] ;PROGRAMA PARA CONTROL DE SEÑALES ANALOGAS
;**********************************************************
#INCLUDE P16F873A.INC
;**********************************************************
;ENTRADAS PUERTO A COMO ENTRADA ANALOGA
;**********************************************************
;SALIDAS PUERTO RB0-RB4 COMO SALIDAS AL MOTOR PAP
;**********************************************************
;REGISTROS DE PROPOSITO GENERAL
;**********************************************************
CBLOCK 20H
TEMPO
CSEG
SEGUNDOS
MINUTOS
SETPOINT
GIRO
FLAGS
ENDC
;**********************************************************
;INICIO Y CONTROL DE INTERRUPCION
;**********************************************************
ORG0x00
GOTO START
NOP
NOP
NOP
GOTO INTERRUPCION
ORG 0x05
START MOVLW 20
MOVWF FSR
LOOP0 CLRF INDF
INCF FSR,F
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29
29
MOVLW 4F
XORWF FSR,W
SKPZ ;SKIP ON ZERO
GOTO LOOP0
BSF STATUS,RP0
MOVLW B'00001011'
MOVWF TRISA
MOVLW B'00000000'
MOVWF TRISB
MOVLW B'00000000'
MOVWF TRISC
MOVLW B'11000110'
MOVWF OPTION_REG
MOVLW B'00000100'
MOVWF ADCON1
MOVLW B'10100000'
MOVWF INTCON
BCF STATUS,RP0
B $
INTERRUPCION BCF INTCON,GIE
BCF INTCON,T0IF
;CLRF PORTB
CALL SERVI_T0
RETFIE
SERVI_T0 INCF CSEG,F
MOVLW .38
XORWF CSEG,W
SKPZ
RETURN
CLRF CSEG
INCF SEGUNDOS,F
MOVLW .3
XORWF SEGUNDOS,W
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30
30
SKPZ
RETURN
CLRF SEGUNDOS
INCF MINUTOS,F
MOVLW .1
XORWF MINUTOS,W
SKPNZ
CLRF MINUTOS
CALL SETP
CALL CONTROL
RETURN
SETP MOVLW B'01000001'
MOVWF ADCON0
INCF TEMPO,F
BTFSS TEMPO,2
GOTO $-2
CLRF TEMPO
BSF ADCON0,2
BTFSC ADCON0,2
GOTO $-1
BCF ADCON0,0
MOVFW ADRESH
MOVWF SETPOINT
RETURN
CONTROL MOVLW B'01001001'
MOVWF ADCON0
INCF TEMPO,F
BTFSS TEMPO,2
GOTO $-2
CLRF TEMPO
BSF ADCON0,2
BTFSC ADCON0,2
GOTO $-1
BCF ADCON0,0
MOVFW ADRESH
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31
ADDLW .25
SKPNC
B SP_BAJO
SUBWF SETPOINT,W
BC IZQUIER
SP_BAJO MOVLW .25
SUBWF ADRESH,W
SKPC
RETURN
SUBWF SETPOINT,W
BNC DERECHA
RETURN
IZQUIER MOVFW GIRO
CALL T_IZQ
MOVWF PORTB
INCF GIRO,F
MOVLW .4
XORWF GIRO,W
SKPNZ
CLRF GIRO
RETURN
T_IZQ ADDWF PCL,F
RETLWB'10000000'
RETLWB'01000000'
RETLWB'00100000'
RETLWB'00010000'
DERECHA MOVFW GIRO
CALL T_DER
MOVWF PORTB
INCF GIRO,F
MOVLW .4
XORWF GIRO,W
SKPNZ
CLRF GIRO
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32
RETURN
T_DER ADDWF PCL,F
RETLWB'00010000'
RETLWB'00100000'
RETLWB'01000000'
RETLWB'10000000'
END
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Montaje del circuito de control
Figura 4.2 Circuito de Control
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Motor de Paso
La característica principal de los motores paso a paso es su precisión a la hora de
moverse, ya que su rotación esta obligara a la entrega precisa de pulsos, o sea
que por cada pulso que se le de al motor este se mueve un paso.
Todos los motores varían en su amperaje de operación (potencia), pero los
motores de paso también se clasifican en los grados recorridos por su eje en cada
impulso dado (paso), los motores de puede mover desde 90° por cada paso hasta
2 ° por cada paso, mientras mas es el numero de pasos necesario para mover el
motor , mas preciso será este.
Especificaciones del Motor
Voltaje de Entrada 4.5 VDC
Amperaje 1.4 Amp
Paso 180 pasos/rev
Tenemos que este motor mueve su eje 2.0 ° por impulso, y una potencia a carga
máxima de 4.5 vatios, lo que es igual a 0.006 Hp.
Otra particularidad de estos motores es que su rotor está bloqueado cuando se
encuentra activo y permanece fijo debido a la resistencia magnética que impone el
imán permanente del rotor sobre los polos del estator.
Válvula Mariposa La válvula que realiza el control será una válvula mariposa, se escoge esta tipo de
equipo debido a su fácil manufactura dentro de la planta y fácil instalación,
además es la que ofrece menores perdidas teniendo un K entre 0.1 y 0.15. [10]
Instalación: La instalación se realizara en un ducto acoplado a la succión del
ventilador, este tubo tiene el mismo diámetro que el la entrada del ventilador, la
cual es cercana a las 10 pulgadas, la válvula esta conectada de forma directa con
el motor de paso el cual la abre y cierra de acuerdo a las necesidades que se
tengan al momento de operar el horno.
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CAPITULO 5 Pruebas en Tubos Moore
5.1 Lugar de pruebas
En la planta de Tubos Moore existe un horno de pequeño diámetro el cual es
usado para pruebas de quema con nuevos materiales y diferentes texturas, este
horno consta tan solo de un quemador y su propia Chimenea, lo que hace que el
costo de las modificaciones no sean de gran costo para la compañía.
El honor se denomina con el numero 25 y tiene 4 metros de diámetro y una altura
de Bóveda de 5.5 metros de diámetro, con una capacidad de 40 Toneladas de
productos de gres, y se estima que su consumo puede estar entre las 6 y 8
toneladas de carbón mineral.
Los equipos de quema son básicamente los mismo, un STOKER que consta de
una unidad inyectora de carbón (tornillo sinfín) y una unidad inyectora de Aire
(Ventilador), y su zona de combustión (retorta).
Aquí se aprecia las modificaciones hechas en los sistemas de inyección de Aire;
con esto se espera reducir la contaminación por parte de Nitrógeno, y también se
espera que el manejo de desperdicios, que es este caso son la cenizas no sea tan
problemático como lo es actualmente.
Para realizar la prueba se necesita la instalación del sensor de Oxigeno, el cual
representa un alto costo que la compañía no se puede hacer cargo debido a su
situación económica actual. Aunque se realizaron las modificaciones en el horno,
no se hacen las pruebas en este debido a la falta de todos los equipos necesarios
para lograr su óptima operación y obtener resultados confiables.
5.2 SIMULACIÓN.
Debido a la falta de equipos se decidió hacer una simulación del sistema de
control para comprobar su funcionamiento y que cumple con los requerimientos
mecánicos exigidos a la hora de operar.
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Figura 5.1 Aire primario & aire secundario.
Se tomo el ventilador que inyecta el Aire a al quemador, y se instalo como se
mostró anteriormente la válvula de cierre, a esta válvula se le conectó el motor de
paso con su circuito de control.
Para la simulación se usaran dos potenciómetros los cuales darán los voltajes
requerido y simulados:
Potenciómetro 1: En este se dará el punto de operación un voltaje ente 0 y
5 voltios.
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Potenciómetro 2: En este se dará la señal que puede emitirse en el sensor
durante la operación, también se dará entre 0 a 5 Voltios representado el exceso
de aire en la mezcla.
En la simulación solo se quiere observar el comportamiento del sistema de control
y comprobar que el equipo (hardware & software) funciona correctamente,
adicionalmente se desea observa y registrar el comportamiento del ventilador
cuando se varia el ángulo de apertura de la válvula ubicada en la succión del
ventilador, se grafica la cantidad de caudal entregado en porcentaje contra los
grados de la válvula, la cual variara en dos grados por cada paso.
Figura 5.2 Ventilador con válvula de control
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Equipo Usado
• Control electrónico, que incluye el micro controlador y el motor de paso.
Figura 5.3 Montaje de circuito y motor de paso.
• Ventilador con su válvula de accionamiento.
Figura 5.4 Válvula de control tipo mariposa.
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• Tubo en “ U “ .
Figura 5.5 Manómetro y control electrónico instalados.
5.2 Procedimiento
Se instala en el ducto principal de salida del ventilador un manómetro de columna
de agua conocido como tubo en “ U ”, se procede a encender el ventilador
teniendo la válvula de la succión en 100 % de apertura y se tomara la diferencia
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de altura existente. Luego se enciende el sistema de control e igualando los
voltajes, el de referencia y el de simulación se logra que el motor, es decir, la
válvula no se mueva. Luego se varia el voltaje a través del potenciómetro de
simulación y el sistema de control mueve el motor dos grados por paso.
En cada paso dado por el motor se toma una lectura de la diferencia de altura en
el manómetro. Se repetirá este procedimiento hasta completar los 45 pasos o los
90 grados de giro del motor, teniendo al final, la válvula de succión completamente
cerrada.
Con estos resultado y conociendo la densidad el agua se calcula la diferencia de
presión en cada grado de apertura o cierre de la válvula.
Presión = densidad * gravedad * altura [6]
Al determinar la presión, se puede obtener gracias a la ecuación de Bernoulli, la
velocidad del fluido y luego por usando la ecuación de continuidad podemos
obtener el caudal del ventilador.
Tabla 5.1 Variables usadas
Datos usados Valor
Densidad del Agua 1000 kg / m3
Densidad Aire Bogota 0.888 kg / m3
Gravedad 9.81 m / s2
Área transversal ducto 0.0441 m2
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5.3 Resultados:
Obtenidos estos datos se realizo una grafica del caudal entregado por el ventilador
contra el porcentaje de apertura de la válvula mariposa.
Grafica 5.1 % de caudal vs % de apertura.
Caudal vs Apertura
R2 = 0.959
0
20
40
60
80
100
1 10 100% de apertura
% d
e Q
ent
rega
do
La grafica esta en escala semilogarítmica, y se aprecia que su comportamiento es
de forma lineal a partir que se realiza el cincuenta por ciento (50%) de apertura de
la válvula. Esto significa que para modificar de forma controlada la entrega de aire
por el ventilador se tiene que trabajar sobre un rango de 50 a 100 % de apertura.
Para aperturas entre 0% a 50% se tiene que las variaciones son muy pocas y el
caudal entregado también es bajo. Esto es acorde con el comportamiento
esperado según el manual de operación de dicho ventilador.
Debido a que existe un cambio de presión en el fluido, y los parámetros de
construcción son ajustados a las necesidades de la compañía, las graficas de
comportamiento de válvulas comunes para fluidos no representan comportamiento
real del caudal entregado por el ventilador.
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CONCLUSIONES
• El sistema de control demostró su capacidad para controlar el flujo másico
entregado por el ventilador dependiendo de una sola variable, optimizando
la entrega de este a la zona de combustión.
• Se plantearon modificaciones que según cálculos y software especializado,
presentan un mejoramiento en los procesos de combustión dando como
resultado una cambio sustancial tanto en la entrega de energía al sistema
como una disminución en los elementos contaminantes.
• El sistema de control, al trabajar con una retroalimentación, es
independiente de la cantidad de oxigeno presente en el carbón,
garantizando así su funcionamiento frente a las diferencias presentadas por
este combustible.
• Se debe tener en cuenta que la señal emitida por el sensor de oxigeno
ofrecerá un retardo debido a que la medición se hace en la chimenea,
donde los gases de escape ya han pasado por los productos de cocción, y
no se mide directamente sobre el quemador.
• El sistema de control se puede modificar fácilmente debido a su software,
que se puede quemar en el microcontrolador de forma sencilla,
acoplándose a las necesidades y ajustándolo al comportamiento que se ira
evidenciando a medida que se pone a prueba.
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• Se recomienda que el control entre en funcionamiento, cuando se logre
estabilizar la combustión en la zona de quema y se tenga una temperatura
óptima de funcionamiento.
• Como ultima recomendación, se debe implementar tecnología para
controlar la emisión de SOx. Una de estas es el uso de soluciones acuosas
alcalinas en el torrente de escape para generar una reacción de
neutralización que conlleva a una precipitación de un sólido (CaSO3) que es
de fácil remoción.
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