Recuperación de Calor Residual en

Plantas de Ácido Sulfúrico

Claudia Araya Bravo

claudia.araya@holtec.cl

Ingeniero Senior de Procesos

Holtec Ltda

X MESA REDONDA DE PLANTAS DE ÁCIDO SULFÚRICOPunta Arenas - 2014

Antecedentes Generales

Secado• Secador Rotatorio

directo

• Secador Rotatorio Indirecto

• Lecho Fluidizado

Fusión• Convertidor

Teniente

• Horno Flash

• Reactor Noranda

Conversión

• Convertidor PeirceSmith

RefinoHornos Rotatorios de

Refino a Fuego

Horno basculantes

Horno Reverbero

Tratamiento Escorias

•Hornos LE / HE

•Hornos Eléctricos

•Planta de flotación de escoria

Limpieza de Gases

•Enfriamiento y limpieza

•Conversión

•Absorción

Insumos principales, Vapor, Aire caliente, Energía eléctrica, Combustibles fósiles

Antecedentes Generales

En una planta de ácido sulfúrico de quema de azufre 5,4 GJ / ton ácido es generado, 30% en elcircuito del ácido (11% SO2)

En una planta de ácido sulfúrico metalúrgica 2,7 GJ / ton ácido es generado, 93% en el circuitodel ácido (8,5% SO2)

Zona de Absorción Zona de Contacto

Principales Usos del Calor Residual

Calor de Alta Temperatura y Baja Temperatura

Calor de Alta T°

Vapor sobresaturado de Alta Presión y generación de energía eléctrica.

Si se ocupa turbogenerador de múltiples pasos, vapor de media y baja presión

En Fundición de níquel, vapor de alta presión para uso directo en los autoclaves en

el proceso de extracción

Principales Usos del Calor Residual

Calor de Baja T°

Agua Caliente: Precalentar agua desmineralizada hacia desaireador o hacia caldera

o agua caliente de uso doméstico

Aire Caliente: Precalentar aire secador directo u horno

Generación de Energía Eléctrica mediante un ORC

Desalinización de agua de mar, calor se transfiere a unidades evaporadoras multi

flash vía indirecta mediante un circuito cerrado de agua desmineralizada

Principales Usos del Calor Residual

Tecnologías Patentadas

Vapor de baja presión (HRS & HEROS)

Uso de mayor t° del ácido en la torre de absorción intermedia. Uso de caldera tipo kettle

generando vapor saturado a una presión de 1 MPa (10 bar) aprox.

Alto % SO2, (LUREC & BAYQIK)

LUREC: El principio es de recirculación de SO3

BAYQIK: Reactor cuasi-isotérmico como base de proceso

Cuantificación del Calor

Generación de calor:

Reacciones exotérmicas

Dilución de ácido sulfúrico

Factores que determinan la generación de calor:

Gases: % SO2 de entrada y flujo, conversión a SO3 (T° entrada gas y % SO3)

Ácido: T° entrada ácido, % salida de ácido, T° entrada gas, % entrada SO3

𝑆 + 𝑂2(𝑔) = 𝑆𝑂2(𝑔) ∆𝐻° = −297 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

𝑆𝑂2(𝑔) +1

2𝑂2(𝑔) = 𝑆𝑂3(𝑔) ∆𝐻° = −99 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

𝑆𝑂3(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) = 𝐻2𝑆𝑂4(𝑙) ∆𝐻° = −132,5 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

∆𝐻𝑚𝑖𝑥 𝐻2𝑆𝑂4 = −1,82 ∗ %𝑝

𝑝𝐻2𝑂 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐻2𝑆𝑂4 [𝑀𝐽 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 − 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻2𝑆𝑂4]

Cuantificación del Calor

Balance de energía circuito de ácido

Cp Agua: 4,18 J/g°C o 1 cal/g°C

Cp Ácido Sulfúrico: 0,38 cal/g°C

𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇

Cuantificación del Calor

Balance de energía zona de gases

Polinomio de los gases

Ecuación de Chase H = F(T)

𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇

𝑮𝒂𝒔 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝑪𝒂𝒍ó𝒓𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅

𝑺𝑶𝟐 7,7 + 0,00530𝑇 − 0,00000083𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙

𝑺𝑶𝟑 8,511 + 0,009517𝑇 − 0,000002325𝑇2 𝐵𝑇𝑈/𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙𝑅

𝑶𝟐 8,27 + 0,000258𝑇 − 187700/𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙

𝑵𝟐 6,5 + 0,00100𝑇 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙

𝑪𝑶𝟐 10,34 + 0,00274𝑇 − 195500/𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙

𝑯𝟐𝑶 8,22 + 0,00015𝑇 + 0,00000134𝑇2 𝐶𝑎𝑙/𝑘 𝑚𝑜𝑙

𝐻𝑇° = 𝐴 ∗ 𝑇 + 𝐵

𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵 ∗ 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 + 𝐶 ∗ 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚2

𝐻°𝑆𝑂3𝑇 = 0,07144 ∗ 𝑇 − 420,6

𝐻°𝑆𝑂2𝑇 = 0,05161 ∗ 𝑇 − 314,3

𝐻°𝑂2𝑇 = 0,03333 ∗ 𝑇 − 10,79

𝐻°𝑁2𝑇 = 0,03110 ∗ 𝑇 − 9,797

𝐻°𝐶𝑂2𝑇 = 0,05042 ∗ 𝑇 − 411

𝐻°𝐻2𝑆𝑂4𝑇 = 0,1485 ∗ 𝑇 − 858,3

𝐻°𝐻2𝑂𝑇 = 0,07568 ∗ 𝑇 − 308,4

𝑄 = 𝑚 ∗ 𝛥𝐻

Casos Estudiados F1

Casos Estudiados F2

Casos Estudiados F3

Resultados de los Casos

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒆𝒏 𝑪𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒅𝒆 Á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒆𝒏 𝑪𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝑮𝒂𝒔𝒆𝒔

𝑀𝐽/ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ 𝑀𝐽/ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 263.902 73.117 63.032.000 48.282 13.377 11.532.193

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 183.466 50.831 43.820.000 40.089 11.108 9.575.178

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 203.820 56.471 48.681.500 22.853 6.332 5.458.522

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3

MJ/h Calor Circuito ácido

Calor Circuito Gas

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝑮𝑱/𝑻𝑴 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪. á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑪. 𝑮𝒂𝒔

1 2,97 2,51 0,46

2 2,82 2,32 0,50

3 2,82 2,54 0,28

Uso del Calor

Generación Vapor (95%)

0

5

10

15

20

25

Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3

mv 20 bar hAA 25°C 17 14 8

mv 20 bar hAA 140°C 21 17 9,82

mv 20 bar hAA 212°C 24 20 11

mv 3,5 bar hAA 25°C 17 14 8

t/h

Uso del Calor

Generación de Energía Eléctrica mediante ORC (15%)

73.117

50.831

56.471

10.968

7.625 8.471

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

Fundición 1 Fundición 2 Fundición 3

Calor Total Producido Energía Eléctrica producida

Uso del Calor

Aire dilución precalentado y agua precalentada para uso en caldera (95%)

𝑸 𝒅𝒆𝒔𝒅𝒆 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝑸 𝒅𝒆𝒔𝒅𝒆 𝒈𝒂𝒔 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 250.707 45.868 𝑀𝐽/ℎ

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 174.293 38.085 𝑀𝐽/ℎ

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 193.629 21.710 𝑀𝐽/ℎ

Ahorros Ahorro Vapor

Ahorro Combustible

Ahorro EE y agua

𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒕/𝒉

𝑹𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓

𝒕/𝒉

𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 %

𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 𝑼𝑺$/𝒂ñ𝒐

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 21 27 78% 6.903.697

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 17 - - 5.732.205

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 10 12,5 80% 3.267.681

ƞ =𝑄𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑄 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒=

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∗ 𝛥𝐻

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 ∗ 𝑃𝐶𝑆

𝑴 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒕/𝒉

𝑴 𝑪𝒐𝒎𝒃 𝒕/𝒉

(𝒂𝒈𝒖𝒂 𝟏𝟒𝟎°)

𝑨𝒉𝒐𝒓𝒓𝒐 𝑼𝑺$/𝒂ñ𝒐

𝑴 𝑪𝒐𝒎𝒃 𝒕/𝒉

(𝒂𝒈𝒖𝒂 𝟐𝟓°)

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟏 21 1,12 6.103.927 1,37

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟐 17 0,93 5.068.148 1,13

𝑭𝒖𝒏𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝟑 10 0,53 2.889.131 0,65

𝑃𝑉 = ℎ𝑣 − ℎ𝐴𝐴

𝑃𝐶𝑆 ∗ ƞ∗ 𝑃𝐶 + 𝑃𝑄 + 𝐴 + 𝐸𝐸 + 𝑂𝑀

Evaluación Económica

Precio Energía

eléctrica

150 US$/MWh

Tasa de descuento 10% Capital

Propio

Depreciación 5 años

Horizonte evaluación 5 años

Tasa de impuesto 20%

PCS Enap 6 43124 KJ/kg

Precio Fuel Oil N°6(1) 631 US$/TM

hv (20 bar, 212°C) 2800 KJ/kg

hv (3,5 bar, 140°C) 2733 KJ/kg

hAA (25°C) 105 KJ/kg

hAA (140°C) 590 KJ/kg

hAA (212°C) 908 KJ/kg

Eficiencia Recuperador 95%

Eficiencia ORC 15%(1) Fuente: http://www.enap.cl/pag/66/991/tabla_de_precios_de_paridad

Inversión Monto

Recuperador 1.180.000 U$S

Generador de vapor 130.000 U$S

Bombas (2) BFW 52.000 U$S

Piping enchaquetado 200.000 U$S

Condensador 114.000 U$S

Desaireador 55.000 U$S

Válvulas 100.000 US$

Sistema de Control 250.000 U$S

Instalación puesta en

marcha

550.000 U$S

Precalentador de aire 235.000 U$S

Economizador 120.000 U$S

Equipo OCR 3.000.000 US$

Estudios, permisos 30.000 U$S

Contingencias 200.000 U$S

Instrumentacion 30.000 U$S

Costos Op y Mantenimiento 10% Inversión

Análisis de Riesgo Simulación Montecarlo mediante herramienta de Excel @risk

Variables inciertas de entrada y rango son (distribución pert, 1000 iteraciones,correlación calor 75%):

Variables más influyentes; Calor, Montos de inversión

𝑽𝒂𝒓𝒊𝒂𝒃𝒍𝒆 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴í𝒏𝒊𝒎𝒐 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑷𝒓𝒐𝒃𝒂𝒃𝒍𝒆 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟏 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 80.000 263.902 270.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟐 á𝒄𝒊𝒅𝒐 55.000 183.466 190.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟑 á𝒄𝒊𝒅𝒐 62.000 203.820 205.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟏 𝒈𝒂𝒔 15.000 48.282 49.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟐 𝒈𝒂𝒔 12.000 40.089 41.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑭𝟑 𝒈𝒂𝒔 7.000 22.853 23.000 𝑀𝐽/ℎ

𝑷𝒓𝒆𝒄𝒊𝒐 𝑭𝒖𝒆𝒍 𝑶𝒊𝒍 𝑵°𝟔

550 631 700 𝑈𝑆$/𝑇𝑀

Ƞ 𝑹𝒆𝒄𝒖𝒑𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓

𝒚 𝒑𝒓𝒆𝒄𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒂𝒅𝒐𝒓 85 95 99 %

Ƞ 𝑬𝒒𝒖𝒊𝒑𝒐 𝑶𝑪𝑹 12 15 18 %

𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑽𝒂𝒑𝒐𝒓 2.000 2.891 4.000 𝑘𝑈𝑆$

𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑨𝒈𝒖𝒂 700 776 2.000 𝑘𝑈𝑆$

𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑨𝒊𝒓𝒆 1.600 1.847 3.500 𝑘𝑈𝑆$

𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 𝑶𝑪𝑹 2.000 4.711 5.200 𝑘𝑈𝑆$

Resultados de Análisis de Riesgo

Conclusiones

El calor generado en la fundiciones es de 2,82 a 2,97 GJ/t ácido sulfúrico

producido, principalmente del circuito de ácido.

Existen tecnologías de recuperación patentadas con referencias internacionales y

uso en Fundiciones Chilenas

Existen beneficios paralelos algunos no cuantificados (ahorro de agua, de energía,

ahorro de combustible, menos emisiones de CO2, etc.)

En el análisis económico se obtiene un VAN positivo para la implementación de

generación de vapor, precalentar agua, precalentar aire. Payback de los proyectos

menores a 2 años. VAN negativo para OCR (excepto 1,8% veces)

Conclusiones

Análisis de Riesgo confirma lo anterior pero entrega información del rango como se

mueve el VAN ante variables inciertas como generación de calor, eficiencia de los

equipos, precio del combustible y montos de inversión

Para la decisión final en una Fundición en particular futuro se considera además lay

out de la planta con espacio útil disponible, posibles interferencias, tecnología en la

fundición, datos reales de operación, trazado del piping, tamaño de los equipos,

accesos, cercanía fuentes calor, etc. Mitigar riesgo de operación principal.

Recuperación de Calor Residual en

Plantas de Ácido Sulfúrico

Claudia Araya Bravo

claudia.araya@holtec.cl

Ingeniero Senior de Procesos

Holtec Ltda

X MESA REDONDA DE PLANTAS DE ÁCIDO SULFÚRICOPunta Arenas - 2014