Inventario y caracterización de calderas en El Salvador CONSEJO NACIONAL DE ENERGÍA Diciembre de 2014 Dirección de Combustibles 0 Contenido 1. Antecedentes .......................................................................................................................... 2 2. Objetivos ................................................................................................................................. 2 Objetivo General ......................................................................................................................... 2 Objetivos Específicos ................................................................................................................... 2 3. Definiciones y Consideraciones Iniciales ................................................................................. 3 3.1. Combustión ..................................................................................................................... 3 3.2. Combustibles ................................................................................................................... 4 3.3. Calderas. .......................................................................................................................... 9 4. Inventario de Calderas .......................................................................................................... 11 4.1. Descripción y detalle de la metodología ....................................................................... 11 4.2. Resultados Geográficos ................................................................................................. 12 4.3. Resultados de la caracterización de los combustibles .................................................. 14 5. Método de balance de energía y método de entrada y salida. ............................................ 17 6. Determinación de las eficiencias de las calderas .................................................................. 20 7. Propuestas para mejorar las eficiencias, la cantidad y calidad de las emisiones de las calderas en El Salvador.................................................................................................................. 22 8. Conclusiones.......................................................................................................................... 26 9. Recomendaciones. ................................................................................................................ 26 10. Anexos. .............................................................................................................................. 28 Anexo I........................................................................................................................................... 28 Formatos de Inspección de Calderas Eficiencia Energética .......................................................... 28 Formatos de Inspección de Calderas de más de 15 años ............................................................. 29 1 1. Antecedentes El avance de las industrias a utilizado calderas de manera significativa para los procesos de transferencia de calor que cuyo objetivo es generar vapor mediante una combustión hecha en el horno. Se podría definir una caldera como un reciente cerrado en el cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor, este calor es generado por la quema de combustible. En El Salvador, el Consejo Nacional de Energía (CNE) tiene la responsabilidad de definir políticas energéticas y establecer estrategias de desarrollo energético a largo plazo compatibles con un modelo de desarrollo económico y social ambientalmente sustentable. En ese sentido la Dirección de Combustibles, identificó la importancia que tiene el uso de las calderas en El Salvador, ya que, en primer lugar son máquinas que utilizan diferentes tipos de combustibles (diésel, fuel oil, GLP, kerosene, biomasa, entre otros), y en segundo lugar, las calderas son dispositivos utilizados por diferentes tipos de industrias, textileras, ingenios azucareros, beneficios de café, tenería, papelera, lavanderías, generadoras de electricidad, entre otras. Por tal motivo, se vuelve primordial realizar un análisis que permita tener un inventario nacional de calderas, el cual incluya la marca y el tipo de caldera, el estado de la misma, tipo y características del combustible que utilizan, entre otras. Con esta información se podrá tener una mejor caracterización del sector, para posteriormente proponer las actividades, incentivos y financiamientos que promuevan las transformaciones de las caleras a la utilización de combustibles más limpios y eficientes. 2. Objetivos Objetivo General Elaborar un inventario de las calderas en uso de El Salvador, caracterizar estos equipos, de tal manera de tener claro el combustible que utilizan y sector al que pertenecen, con el fin de trazar planes a futuro de manera que contribuyan a detallar más el balance energético nacional. Objetivos Específicos Elaborar un inventario nacional de calderas registradas; Caracterizar el combustible que se utiliza en la caldera, así como el sector; Determinar la cantidad de combustible utilizado para cada tipo de caldera; Presentar propuestas para mejorar las eficiencias, la cantidad y calidad de las emisiones de las calderas, así como los costos asociados. 2 3. Definiciones y Consideraciones Iniciales En este apartado se desarrollaran una serie de conceptos que permitirán desarrollar mejor el concepto de las calderas y la mayoría de los procesos que involucran el funcionamiento de estos equipos. 3.1. Combustión Definición Combustión es el conjunto de proceso físico-químicos en los que un elemento combustible se combina con otro elemento comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo luz, calor y productos químicos resultantes de la reacción (oxidación). Como consecuencia de la reacción de combustión se tiene la formación de una llama, la cual es una masa gaseosa incandescente que emite luz y calor. Las reacciones básicas de combustión corresponden a las reacciones de oxidación del carbono (C) y del hidrogeno (H) mediante oxígeno que puede aportarse en forma pura (oxicombustión) o mediante el aporte de aire que lo contiene en una proporción del 21%. Para que se produzca la combustión, deben encontrase en el especio y en el tiempo tres elementos: Combustibles Comburente Fuente de Ignición Fases La combustión no es realmente la única reacción química, si no que se pueden distinguir tres fases en la reacción de combustión: Fase de preparación (formación de radicales): el combustible se descompone dando lugar a la formación de radicales, que son unos compuestos intermedios y muy activos, para que, de este modo, el carbono y el hidrógeno puedan reaccionar con el oxígeno. Estos radicales son del tipo H+, CO-, CH3+, (en el caso del metano), OH-, O-. Fase de Oxidación: es esta fase se produce la combinación entre radicales y el oxígeno de un modo exotérmico (proceso que desprende energía en forma de calor). Es cuando tiene lugar la propagación de la llama. Fase de Terminación: es esta fase se forma los compuestos estables finales. El conjunto de estos compuestos es lo que se denomina “gases de combustión”. Tipos de Combustión. De acuerdo con el nivel de combustión alcanzada y la cantidad de comburente aportado a la combustión, se pueden dar los siguientes tipos de combustión: 3 Combustión Completa: es aquella reacción en la que el combustible se quema hasta el máximo grado posible de oxidación. En consecuencia, no habrá sustancias combustibles en los humos. En los productos de la combustión se puede encontrar N2, CO2, H2O y SO2. Combustión Incompleta: es aquella reacción en la que el combustible no se oxida completamente. Se forman sustancias, denominados inquemados, que todavía pueden seguir oxidándose, por ejemplo, CO. Otros inquemados pueden ser H2, CnHm, H2S y C. Estas sustancias son los contaminantes más comunes que escapan a la atmósfera en los gases de combustión. Combustión teórica o estequiométrica: es la combustión realizada con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan inquemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que el O2 aportado a la combustión se consume completamente en la misma. Combustión con exceso de aire: es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la estequiométrica. Esta combustión tiende a no producir inquemados y es típica la presencia de O2 en los humos. Si bien la incorporación de aire permite evitar la combustión incompleta y la formación de inquemados, trae aparejado la pérdida de calor en los productos de combustión, la eficiencia y la longitud de llama. Combustión con defecto de aire: es esta combustión, el aire disponible es menor que el necesario para que se produzca la oxidación total del combustibles. Por lo tanto, se producen inquemados. 3.2. Combustibles Definición Combustible es cualquier material capaz de liberar energía en forma de calor cuando reacciona con el oxígeno, habitualmente el contenido en el aire, transformando su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una formula utilizable (por ser una reacción química, se conoce como energía química). En general, se trata de sustancias susceptibles de quemarse. Clasificación De acuerdo con su estado de agregación, los combustibles se clasifica en: Combustibles sólidos: son aquellas substancias en las que sus moléculas presentan una gran cohesión entre sí, ya que las fuerzas de atracción son superiores a las que originan los movimientos moleculares. Su característica fundamental es que mantienen una forma y volumen definidos. Combustibles líquidos: son aquellas substancias en las que las fuerzas resultantes de los movimientos moleculares son lo suficientemente elevadas frente a las fuerzas de atracción para permitir el movimiento de las moléculas entre sí, permitiéndole fluir y adoptarse a la forma del recipiente que la contiene. Su característica fundamental es que no poseen una forma definida, aunque mantienen un volumen determinado. Combustibles gaseosos: son aquellas substancias en las que las fuerzas resultantes de los movimientos moleculares son superiores a las fuerzas de atracción entre moléculas de los gases se distancias ocupando todo el espacio disponible. Si no se contiene en un espacio cerrado, se difunden en la atmósfera. Su característica fundamental es que tienen forma y 4 volumen variables y ejercen presión sobre las paredes del reciente que las contiene. Al contrario de los sólidos y los líquidos, los gases son comprensibles, por lo que siempre que se indique un volumen deberá precisarse la presión y la temperatura a las que se ha medido. Propiedades Generales El Poder Calorífico Es la cantidad de energía (Calor) desprendida por una unidad de combustibles en su combustión completa para unas condiciones determinadas de presión y temperatura de los productos que reaccionan y de los productos resultantes. Para los combustibles cuyos productos de la combustión (gases quemados) contienen vapor de agua, se debe diferenciar si la cantidad de energía medida incluye la energía correspondiente al calor de vaporización de ese vapor de aguan o no. Efectivamente, si los gasees quemados se evacuan directamente a la atmósfera sin actuar sobre ellos, la energía incorporada a la entalpía de vapor de agua en forma de calor latente de vaporización no se aprovecha, pero estos gases quemados se enfrían, se puede aprovechar el calor sensible de los gases, pero lo que es más importante, si se disminuye la temperatura por debajo de la temperatura de punto de rocío del vapor de agua, éste condensada, cediendo (exotérmico) el correspondiente calor de condensación y obteniendo una energía adicional que puede representar hasta un 11% de total de energía en el caso del gas natural. Por ello, se definen dos tipos de poder calorífico según la temperatura final de los gases quemados: Poder Calorífico superior (Hs): es la cantidad de energía desprendida por unidad de combustible enfriado los gases quemados hasta 0°C a presión atmosférica. Es estas condiciones, el vapor de agua ha condensado, cediendo su calor latente de vaporización (en este caso de condensación). Poder Calorífico (Hi): es la cantidad de energía desprendida por una unidad de combustible enfriando los gases quemados hasta 0°C a presión atmosférica, pero sin considerar el calor latente de condensación del calor de agua producido. Composición de los Combustibles. La composición de una combustible es fundamental para poder determinar los parámetros características de su combustión y prever la posible emisión de productos nocivos o contaminantes. De modo genérico, tiene en su composición una serie de elementos químicos que su comportamiento en el proceso de combustión. Estos son los siguientes: De modo mayoritario, contienen carbono (C) e hidrogeno (H), sea en forma libre o combinada en forma de hidrocarburos. Son los componentes principales para la obtención de energía térmica. Azufre (S), bien en forma libre o combinada. Debido a que en su combustión se producen compuestos de efecto perjudicial para el medio ambiente, la tendencia es a exigir cada vez más la reducción de su presencia, aunque en ciertos combustibles esto representa una gran dificultad. 5 Oxigeno (O), bien combinado con el carbono y el hidrogeno o bien presente en estado libre en el combustible (caso de las mezclas aire-propano, por ejemplo). Inertes como son la humedad, las cenizas, el CO2 y el nitrógeno. De acuerdo con la composición química se puede determinar el poder calorífico del mismo de acuerdo con los calores de formación de sus componentes y las reacciones de combustión que tiene lugar. Peso Específico y Densidad. El Peso específico de un combustible se define como el peso de una unidad de volumen del mismo en condiciones normalizadas de temperatura y presión. Para combustibles líquidos se considera una temperatura de referencia de 15 ºC y para combustibles gaseosos es de 0 ºC, a presión atmosférica. En combustibles sólidos y líquidos, la unidad de volumen es el litro (kg/litro) y en combustibles sólidos el metro cúbico en condiciones normales (kg/Nm 3). La Densidad de un combustible se define como la relación entre el peso específico del combustible y el de una substancia de referencia. Esta unidad es adimensional. En el caso de combustibles líquidos y sólidos la substancia de referencia es el agua y en el caso de combustibles gaseosos esta referencia es el aire. Contenido de Azufre. Es preciso conocer el contenido de azufre en el combustible para valorar la cantidad de SO 2 que aparecerá en los productos de la combustión, que, tras su hidrolización, es el responsable de la denominada lluvia ácida. En la combustión, el azufre reacciona según: S + O2 → SO2 Ya en la atmósfera, el SO 2 se hidroliza en dos fases, produciendo ácido sulfúrico: SO + ½O2 → SO3 SO3 + H2O → SO4H2 Además de la reducción en el contenido de azufre, una forma de reducir la formación de SO3 es controlar el exceso de aire, de modo que se minimice la cantidad de oxígeno libre en los productos de la combustión. El gas natural, así como los gases licuados del petróleo (propano y butano), se encuentran exentos de azufre en su composición. 6 Especificaciones Técnicas Centroamericanas En El Salvador, el Reglamento Técnico Centroamericano (RTCA) establece la calidad del diésel (RTCA 75.0217:06), propano (RTCA 75.01.2105) y butano (RTCA 75.01.2105); y la Norma Salvadoreña establece la calidad del combustible industrial N°6 (NSO 75.04.07:97). Cuadro 1: Especificaciones de calidad del Diésel Fuente: RTCA 75.0217:06 7 Cuadro 2: Especificaciones de calidad del propano comercial Fuente: Tomado del RTCA75.01.2105 Fuente: RTCA75.01.2105 Cuadro 3: Especificaciones de calidad del butano comercial Fuente: Tomados del RTCA75.01.2105 8 Cuadro 4: Especificaciones de calidad del aceite combustible industrial N° 6 (Bunker C) Fuente: Norma Salvadoreña Obligatoria 75.04.07:97 3.3. Calderas. Técnicamente, puede definirse una caldera de vapor, de acuerdo con la terminología vigente, como todo aparato a presión en donde el calor pro-cedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte, en este caso, vapor de agua. Toda caldera estará equipada con un quemador dimensionado para suplir el poder calorífico que se requiere para generar vapor o agua caliente y en algunos casos calentar fluido térmico, dependiendo de la capacidad B.H.P. (Boiler Horse Power); BTU/Hr; KW o Kcal. Por regla podemos estimar el consumo de calor que requiere una caldera, multiplicando 33,472 BTU/Hr por cada B.H.P. Ejemplo: Una caldera de 100 B.H.P. requiere de un INPUT de 33,472 BTU/Hr x 100 B.H.P., equivalente a 3.347,200 BTU/Hr.1 1 Información Extraída de Enviromental Tecnologies, The Vitalizer. 9 Tipos de Calderas. Aunque se pueden hacer muchas clasificaciones de calderas de acuerdo con diferentes criterios, se puede decir que hay dos tipos generales de calderas: las pirotubulares (tubos de humo) y las acuotubulares (tubos de agua) y dentro de éstas últimas se diferenciará entre calderas con calderín agua-vapor y calderas de paso único. Adicionalmente, las calderas se pueden clasificar en alta y baja presión, de vapor saturado o sobrecalentado. El vapor saturado es aquél al que no se le ha calentado por encima de la temperatura de saturación. Se le denominará seco si ha sido totalmente evaporado, o húmedo con un % de humedad si no lo ha sido. El vapor sobrecalentado será aquél que, por el contrario, sí ha sido calentado después de su completa evaporación, modificando su temperatura para la misma presión. Al estar sobrecalentado puede entregar o perder parte de su energía sin condensar, con los beneficios que esto conlleva para su transporte o uso en turbinas. Se entenderá por calderas de alta presión aquellas que operan a una presión superior a 1 bar. Una ventaja de usar calderas de alta presión es la reducción del tamaño de la caldera y de las tuberías de vapor para la misma capacidad de transporte de calor, debido al aumento de la densidad del vapor con la presión. Esto puede ser particularmente importante si los consumidores del vapor están a alguna distancia de la caldera. Además la energía disponible en el vapor aumenta con la presión, algo esencial cuando el vapor se usa en una turbina. Otra clasificación habitual de las calderas sería por el tipo de tiro. El aire necesario para la combustión se aporta normalmente a las calderas mediante ventiladores. Según estos ventiladores actúen sobre el suministro de aire, diremos que las calderas son de tiro forzado, inducido o equilibrado. Las primeras son aquellas en las que el ventilador, situado en la entrada, introduce el aire en la caldera, y por tanto son de hogar presurizado. Las segundas son las que teniendo el ventilador en la salida aspiran los gases de la combustión y los envían a la chimenea, siendo por tanto de hogar en depresión. Cuando coexisten ambos ventiladores la caldera se denomina de tiro equilibrado, haciéndose que el hogar trabaje un poco en depresión para evitar escapes de gases. Volviendo a la clasificación general, las calderas pirotubulares son aquellas en las que los gases de la combustión circulan a través de tubos que están rodeados por agua. Muchas de las calderas pequeñas y medianas de la industria son de este tipo. Los gases de la combustión se enfrían a medida que circulan por los tubos, transfiriendo su calor al agua. La transferencia de calor es función de la conductividad del tubo, de la diferencia de temperatura entre el agua y los gases, de la superficie de transferencia, del tiempo de contacto, etc. Un ejemplo típico de este tipo de calderas sería la Figura 1 en la que se aprecia un pequeño hogar sobre el recipiente con el agua, que a su vez es traspasado longitudinalmente por los tubos de los gases de la combustión. Las calderas pirotubulares pueden diseñarse con diferentes pasos de los tubos de humos por el recipiente con agua. El hogar se considera el primer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido un paso adicional (Figura 1-5). Las calderas pirotubulares suelen trabajar hasta unos 20 bares para unas producciones máximas de unas 20 Tm/hr. 10 Figura 1: Calderas Pirotubulares 4. Inventario de Calderas 4.1. Descripción y detalle de la metodología Según la Ley General de Prevención de Riesgos en los Lugares Trabajo, el Ministerio de Trabajo y Previsión Social (MTPS) contempla el registro de las calderas a nivel nacional, en ese sentido, a través de la Oficina de Información y Respuesta de la mencionada institución, se solicitó el Inventario de las calderas a nivel nacional, al cual contenía la siguiente información: Nombre de la Empresa Dirección Marca de la Caldera Modelo Serie Tipo de Caldera Fecha de Fabricación Fecha de Instalación B.H.P Capacidad de la Caldera Tipo de Combustible Presión de Diseño Presión de Operación Voltaje del Circuito Principal Voltaje de Circuito de Control Capacidad de Válvulas de Seguridad Departamento y Municipio De esta información proporcionada, se resalta los siguientes puntos: Se cuenta con un total de 1,502 registros de calderas (1,081), entre marmitas y Autoclaves (421) 11 403 registros no contaban con información sobre la Dirección del Centro; 2 registros no contaban con el nombre del centro de trabajo 31 registros no contaban con información de la marca de la caldera, 92 registros no contaban con información del modelo de la caldera 103 registros no cuentan con información de la serie de las calderas; Y, 530 registros no contiene información del B.H.P 92 registros no contienen información sobre el combustible que utilizan las calderas A partir de esta información, se revisó los nombres y sintaxis de los Centros de Trabajo, y estableció que únicamente 947 calderas pueden ser en la etapa de caracterización. Considerando los registros se le agregó el sector, Actividad Económica y actividad a la que pertenece el centro de trabajo o empresa que contiene la caldera, así también, en base a las direcciones se le agregó el municipio y departamento al que pertenecen. 4.2. Resultados Geográficos A partir de los registros disponibles se puede resaltar que la mayor parte de las caderas en el país se encuentran ubicadas en la zona central (78.9%), posteriormente, la zona occidental (17.6%) y la zona oriental (3.5%), según se detalla en el Cuadro 1. Grafico 1: Calderas por zona geográfica 3.5% 17.6% 78.9% Central Oriental Occidental Fuente: Elaboración propia según información del MTPS En El Salvador, el 81.8% de las calderas se encuentran concentradas en los departamentos de San Salvador (43.8%), La Libertad (29.9%) y Santa Ana (8.1%). 12 Cuadro 5: Calderas por Departamento Departamento Ahuachapán Cabañas Chalatenango Cuscatlán La Libertad La Paz La Unión Morazán San Miguel San Salvador San Vicente Santa Ana Sonsonate Usulután Total Número de Calderas % 11 1.2% 2 0.2% 4 0.4% 2 0.2% 240 25.3% 31 3.3% 5 0.5% 1 0.1% 22 2.3% 455 48.0% 13 1.4% 82 8.7% 74 7.8% 5 0.5% 947 100.0% Fuente: Elaboración propia según información del MTPS Es importante resaltar, que los Departamentos con menor número de Calderas es Morazán (0.1%) y posteriormente Cabañas y Cuscatlán (0.2%), correspondientes a una y dos calderas respectivamente. Grafico 2: Mapa de Calderas en El Salvador Fuente: Elaboración propia según información del MTPS 13 4.3. Resultados de la caracterización de los combustibles Con la información del MTPS y considerando el nombre y ubicación geográfica de los centros de trabajo, se agregó el sector y actividad económica a la que pertenece; a partir del cruce de información se puede resaltar que el sector que utiliza la mayor cantidad de caldera es la Industria (65.4%), posteriormente el sector de servicios (23.1%), Agricultura (7.1%) y el Comercio (4.4%), según lo que se puede apreciar en el Grafico 2. Grafico 3: Número de calderas por sector 4.4% 7.1% 23.1% 65.4% INDUSTRIA SERVICIOS AGRICULTURA COMERCIO Fuente: Elaboración propia según información del MTPS En el caso de los combustibles utilizados en las calderas, se pueden destacar que el 79.9% de las calderas utilizan combustibles tradicionales para este tipo de maquinarias, como son diésel (38.8%), fuel oil y bunker (31.8%) Así mismo, las calderas consideran otro tipo de combustibles menos utilizados, como lo es Biomasa (9.4%), Gas Licuado de Petróleo (GLP-9.0%), eléctrica (8.1%) y otros (3.0%), en estos últimos se encuentran cogeneración, aceite usado, biodiesel y calderas que usan combustibles mixtos, específicamente vapor-eléctrica, fuel oil- diésel y fuel oil-diésel-GLP 14 Gráfico 4: Calderas por tipo de combustibles 400 45.0% 40.0% 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 350 300 250 200 150 100 50 Número de Calderas Otros Electrico GLP Biomasa Fuel Oil Diesel 0 % Fuente: Elaboración propia según información del MTPS Se resalta el hecho que el 79.5% de las calderas a nivel nacional utilizan productos derivados de petróleo, le siguen las calderas que utilizan Biomasa (9.4%), energía eléctrica (8.1%) y otra tipo de combustibles (3.0%) Al desagregar las calderas, por sector y actividad económica, según se pude observar en el Cuadro 2, se pueden resaltar los siguientes puntos: En Agricultura, únicamente se desagrega en la actividad de “agricultura, ganadería, silvicultura y pesca”, y al verificar las empresas en el segmento se encuentras las dedicadas a la producción y exportación de café, criaderos de aves y ganados. En este sector, se destaca calderas que utilizan biomasa para su funcionamiento, especialmente aquellas que se encuentra ubicadas en los beneficios de café e ingenios. En el sector de comercio, se destacan empresas dedicadas a la venta de productos al por mayor, específicamente en el sector lácteo, así también se destaca la venta de llantas y tubos para vehículos, venta de productos alimenticios e hilos y telas. 15 Cuadro 6: Calderas por sector, actividad económica y tipo de combustibles Diésel AGRICULTURA Cultivo de café Agricultura, ganadería, silvicultura y pesca COMERCIO Comercio al por mayor y al por menor; reparación de vehículos automotores y motocicletas INDUSTRIA Fabricación de cerveza Fabricación de pan y galletas Industrias manufactureras SERVICIOS Actividades artísticas, de entretenimiento y recreativas Actividades de alojamiento y de servicio de comidas Actividades de atención a la salud humana y de asistencia social Actividades de servicios administrativos y de apoyo Actividades inmobiliarias Administración pública y defensa; planes de seguridad social de afiliación obligatoria Construcción Enseñanza Otras actividades de servicios Suministro de agua, evacuación de aguas residuales (alcantarillado); gestión de desechos y actividades de saneamiento Suministros de electricidad, gas, vapor y aire acondicionado Transporte y almacenamiento Total Fuel Oil 10 14 10 17 17 14 8 8 220 237 1 219 120 237 42 12 53 7 17 Biomasa GLP Eléctrico Cogeneración Mixto Biodiesel Aceite Usado Vapor 43 1 42 67 1 66 42 42 7 7 9 9 1 1 45 1 56 50 6 3 1 1 44 1 56 22 50 18 1 6 15 3 1 1 12 4 1 3 9 1 1 26 1 1 1 3 27 1 2 1 1 1 6 10 4 1 367 3 301 1 89 85 2 6 32 3 3 2 14 77 Fuente: Elaboración propia según información del MTPS 16 619 1 1 617 219 1 31 77 1 16 Total 22 1 3 1 35 1 1 4 947 En el sector industrial, se resalta aquellos productos relacionados con la industria manufacturara, específicamente la elaboración de ropa. Así también se destaca los ingenios, quienes utilizan biomasa para las calderas. En el sector servicios, se encuentras empresas dedicadas a actividades artísticas, alojamiento, salud, asistencia social, servicios administrativos, seguridad pública, construcción, suministro de electricidad, gas, transporte y otros. 5. Método de balance de energía y método de entrada y salida. La eficiencia energética puede medirse siguiendo dos métodos distintos (ASME PTC 4-1998): el método de balance de energía (o método indirecto), y el método de entrada y salida (o método directo). El balance de energía de una caldera puede dividirse en la entrada de energía como suministro de combustible, la salida de energía como producción de vapor y pérdidas (ver la figura 2) Figura 2: Balance de energía y Límites del proyecto para una caldera Fuente: Estudio de Factibilidad para un Proyecto MDL. Perú En el método de entrada y salida, se determina el suministro de combustible y la producción de vapor y se calcula la eficiencia energética dividiendo la energía en la salida de vapor entre la energía suministrada con el combustible, ver Figura 3: 17 Figura 3: Ecuación de Para Determinar la Eficiencia Método Directo Fuente: Estudio de Factibilidad para un Proyecto MDL. Perú Para el método de entrada y salida, los requerimientos de mediciones primarias, en el caso de calderas a gas o combustibles líquidos, son: El caudal del combustible, el agua de alimentación y todos los caudales secundarios, tales como la purga de la caldera Presión y temperatura del agua de alimentación y la salida de vapor, y El poder calorífico inferior y/o superior del combustible El método de balance de energía determina la eficiencia energética de manera indirecta a través de la medición de las diversas pérdidas de energía. La eficiencia energética se calcula restando las diversas pérdidas del 100% ver figura 4: Figura 4: Ecuación de Para Determinar Eficiencia de Manera Indirecta. Fuente: Estudio de Factibilidad para un Proyecto MDL. Perú 18 Para el método de balance de energía, los requerimientos de mediciones primarias, en el caso de calderas a gas o petróleo, son: El análisis químico del gas de combustión Temperaturas del aire y del gas de combustión El poder calorífico inferior y/o superior del combustible Cuadro 7: Ventajas y desventajas del método de balance de energía y del método de entrada y salid Método de Balance Energía Método de Entrada y Salida Ventas/Desventajas (Método Directo) (Método Directo) Las mediciones primarias Todas las pérdidas son (composición y temperatura consideradas en la medición del gas de combustión) y no es necesaria la puede hacerse de manera estimación de algunas muy exacta con equipos perdidas. relativamente simples. Requiere pocas mediciones. El nivel de incertidumbre de Ventajas los resultados de las pruebas es, con frecuencia, más bajo que con el método de salidaentrada. La medición de las diferencias pérdidas permite identificar las fuentes ineficiencia. Algunas pérdidas son Flujo del combustible, poder prácticamente imposibles de calorífico del combustibles, medir y tienen que ser caudales de vapor y estimadas (pérdidas debido a propiedades del vapor tienen radiación, convección y que ser medidos de manera Desventajas conducción; purga de la muy exacta para minimizar el caldera si se opera de nivel de incertidumbre. manera discontinua; perdida No se identifican fuentes de de operaciones debido a ineficiencia. pausa o arranque). Requiere de más mediciones Fuente: ASME PTC 4-1998, consideraciones de Öko-Institut Las ventajas y desventajas del método de entrada y salida y del método de balance de energía se presentan en la Cuadro 7. En la mayoría de los casos, el método de balance de energía conlleva una incertidumbre total de prueba más baja porque las pérdidas medidas representan sólo una fracción pequeña de la energía total. Asimismo, en la práctica es muy difícil medir de manera exacta las propiedades y caudales del vapor, lo que es necesario para el método de entrada y salida. En cuanto al método de balance de energía, la medición de la composición y temperatura de los gases de combustión puede realizarse de forma relativamente fácil y precisa, y esta información permite así determinar las pérdidas mayores. La principal ventaja del método de 19 entrada y salida es que todas las pérdidas están automáticamente cubiertas por las mediciones; mientras que con el método de balance de energía, algunas pérdidas tienen que ser estimadas. Además, el método de entrada y salida permite determinar la eficiencia promedio de operación en un intervalo de tiempo más largo, que incluye pérdidas debido a una operación standby o arranque y purgas discontinuas. Las mediciones realizadas con el método de balance de energía sólo muestran la eficiencia durante una operación en régimen estacionario. Los estándares técnicos recomiendan utilizar el método que conlleva una incertidumbre menor. En aquellos casos en que es difícil medir el suministro de combustible, normal mente se sugiere el método de balance de energía. Esto se aplica en la práctica especial mente a calderas de vapor que queman combustibles sólidos, donde las propiedades del combustible pueden cambiar con el transcurso del tiempo. La Norma Industrial Alemana recomienda el método de entrada y salida para calderas operadas a gas o combustibles líquidos más pequeñas, ya que las pérdidas por radiación, convección y conducción son significativas en pequeñas unidades y, por general, la medición de los caudales de gas y combustible líquidos puede hacerse de manera exacta (DIN 1942, 1994, página 6), mientras que el procedimiento conciso del British Standard 845 (BS 845-1) utiliza el método de balance de energía. El Código de Prueba de Rendimiento para Generadores de Vapor publicado por la American Society of Mechanical Engineers (ASME PTC 4-1998) no da una recomendación específica para calderas pequeñas a gas o combustibles líquidos, mas “recomienda el método de balance de energía en los casos en que se requiera de correcciones a condiciones estándar o de garantía. En otros casos, la elección del método deberá basarse en la instrumentación disponible y la incertidumbre de prueba proyectada. ” 6. Determinación de la Potencia Para poder terminar parámetros energéticos y de uso de combustibles en las calderas se utilizaron las consideraciones y metodología que a continuación detallamos: Para los cálculos del consumo de combustible: o Se tomó 1 B.H.P= 33,472 BTU/hr 2 o Cálculo basado en consumo total de combustible Para el cálculo de la cantidad máxima de energía: o Condiciones ideales de temperatura, perdidas y eficiencia, o Se tomó 1 B.H.P= 33,472 BTU/hr=9.81 KW y esta es la energía necesaria para evaporar 15.65 Kg de agua a 100°C en una hora. o Así mismo se utilizaron las capacidades caloríficas siguientes o Fuel Oil No 6: 14969.476 BTU/Gal; Diésel: 138,690 BTU/Gal; Propano: 91,333 BTU/Gal. o Los siguientes precios: Fuel Oil No 6: 2.43 US$/Gal; Diésel: 3.99 US$/Gal; Propano: 2.24 US$/Gal. 2 Información Extraída de Enviromental Tecnologies, The Vitalizer 20 Cuadro 8: Consumos de Combustibles y Potencia de Calderas en Boiler Horse Power (B.H.P) y kW SECTOR SERVICIOS INDUSTRIA COMERCIO AGRICULTURA B.H.P. 60.00 150.00 30.00 125.00 15.00 50.00 80.00 100.00 30.00 200.00 60.00 20.00 100.00 50.00 15.00 800.00 300.00 400.00 125.00 40.00 600.00 80.00 30.00 20.00 50.00 15.00 25.00 150.00 100.00 70.00 125.00 150.00 200.00 250.00 60.00 400.00 kW Número CALDERAS DIÉSEL (Gal/hr) FUEL OIL (Gal/hr) GLP (Gal/hr) 588.63 21.00 14.38 13.39 21.99 1,471.58 18.00 35.94 33.48 54.97 294.32 12.00 7.19 6.70 10.99 1,226.32 11.00 29.95 27.90 45.81 147.16 10.00 3.59 3.35 5.50 490.53 10.00 11.98 11.16 18.32 784.84 10.00 19.17 17.86 29.32 981.06 10.00 23.96 22.32 36.65 294.32 42.00 7.19 6.70 10.99 1,962.11 34.00 47.92 44.64 73.30 588.63 32.00 14.38 13.39 21.99 196.21 30.00 4.79 4.46 7.33 981.06 27.00 23.96 22.32 36.65 490.53 22.00 11.98 11.16 18.32 147.16 20.00 3.59 3.35 5.50 7,848.44 19.00 191.69 178.56 293.19 2,943.17 17.00 71.88 66.96 109.94 3,924.22 14.00 95.85 89.28 146.59 1,226.32 13.00 29.95 27.90 45.81 392.42 12.00 9.58 8.93 14.66 5,886.33 12.00 143.77 133.92 219.89 784.84 10.00 19.17 17.86 29.32 294.32 6.00 7.19 6.70 10.99 196.21 3.00 4.79 4.46 7.33 490.53 3.00 11.98 11.16 18.32 147.16 2.00 3.59 3.35 5.50 245.26 2.00 5.99 5.58 9.16 1,471.58 2.00 35.94 33.48 54.97 981.06 6.00 23.96 22.32 36.65 686.74 5.00 16.77 15.62 25.65 1,226.32 5.00 29.95 27.90 45.81 1,471.58 4.00 35.94 33.48 54.97 1,962.11 4.00 47.92 44.64 73.30 2,452.64 3.00 59.90 55.80 91.62 588.63 2.00 14.38 13.39 21.99 3,924.22 2.00 95.85 89.28 146.59 Fuente: Elaboración propia en base a información de MTPS 21 DIÉSEL (US$) FUEL OIL (US$) 458.91 260.35 1,147.28 650.87 229.46 130.17 956.07 542.39 114.73 65.09 382.43 216.96 611.88 347.13 764.86 433.91 229.46 130.17 1,529.71 867.82 458.91 260.35 152.97 86.78 764.86 433.91 382.43 216.96 114.73 65.09 6,118.84 3,471.29 2,294.57 1,301.73 3,059.42 1,735.65 956.07 542.39 305.94 173.56 4,589.13 2,603.47 611.88 347.13 229.46 130.17 152.97 86.78 382.43 216.96 114.73 65.09 191.21 108.48 1,147.28 650.87 764.86 433.91 535.40 303.74 956.07 542.39 1,147.28 650.87 1,529.71 867.82 1,912.14 1,084.78 458.91 260.35 3,059.42 1,735.65 GLP (US$) 394.04 985.11 197.02 820.92 98.51 328.37 525.39 656.74 197.02 1,313.48 394.04 131.35 656.74 328.37 98.51 5,253.90 1,970.21 2,626.95 820.92 262.70 3,940.43 525.39 197.02 131.35 328.37 98.51 164.18 985.11 656.74 459.72 820.92 985.11 1,313.48 1,641.84 394.04 2,626.95 Considerando los precios actuales de los combustibles, en especial el del fuel oil, puede verificarse en el cuadro 8, que este producto es utilizado por su bajo costo en el uso de las calderas. El promedio de la potencia, de las calderas instaladas en El Salvador, es de 141 BHP o 1,383 KW, siendo así que en el sector servicio específicamente lo que concierne a la atención de la salud humana el 44% de las Calderas tiene una potencia de 60 a 80 BHP o (589 a 785 kW), por otra parte en el Sector Industrial la Potencia de las calderas varía desde 0.8 hasta 1744 (8 a 17110 kW), siendo la mayoría de estas las calderas de 30 BHP (294 kW) en su mayoría dedicadas a fabricación de productos lácteos y maquilas de prendas de vestir, le siguen las calderas de 200 BHP (1962 kW) estas están mayormente se utilizan en el sector textil y producción de alimentos. En el Sector Comercio la mayoría de calderas en El Salvador están entre los 20 a 50 BHP (196 a 491 kW), la mayoría pertenecen a la actividad económica de ventas de productos de alimenticios y productos de vestir. Para el Sector Agrícola, el mayor número de calderas oscilan entre 100 y 150 BHP (981 y 1472 kW), siendo estas enfocada en los Beneficios de Café, Crianza de Animales y Cultivo de Hortalizas. 7. Propuestas para mejorar las eficiencias, la cantidad y calidad de las emisiones de las calderas en El Salvador. Basado en los datos MTPS, el 38.8 % de las calderas nacionales utilizan Diésel, el 31.8% utilizan Fuel Oil No.6 y el 9% GLP, el restos utilizan otros energéticos. En función de lo anterior podemos se presenta el cuadro 4 el cual resume de los tipos de combustibles más utilizados y la potencia acumulada para las calderas que utilizan los principales combustibles antes mencionados. Cuadro 9: Potencia Acumulada por Tipo de Combustibles y Calderas. POTENCIA ACUMULADA TIPO DE N° CALDERAS COMBUSTIBLE BHP kW DIÉSEL 264 16,219 159,119 FUEL OIL N° 6 262 78,671 771,806 GLP 63 4,391 43,081 Total 589 99,282 974,007 Fuente: Elaboración propia según información del MTPS 7.1. Opciones para mejorar la eficiencia energética. Existen diferentes medidas para incrementar y mantener la eficiencia energética de una caldera en niveles óptimos, que permiten lograr ahorros, reducir costos operativos y las emisiones de gases al ambiente. 22 Existen medidas que son parte del mantenimiento preventivo y la operación normal de las calderas (lo que se denomina “buenas prácticas de gestión o good housekeeping”), y el costo de su implementación es parte del costo operativo de las calderas; asimismo, si no se implementan o se hacen deficientemente ocurre que las calderas trabajan con eficiencias bajas o simplemente no pueden trabajar ya sea por mal funcionamiento de algún componente o por cuestiones de seguridad (riesgos). Existen otras medidas que constituyen opciones de mejora de eficiencia de las calderas que normalmente no vienen incorporadas en las unidades cuando se adquieren, dado que requieren una mayor inversión, que resulta muchas veces justificable, aunque ello no se analiza por lo común al momento de adquirirse una caldera. Medidas de buenas prácticas de gestión (good housekeeping) A continuación se hace una breve descripción de las medidas que son parte del mantenimiento y operación normal en las calderas, algunas de las cuales no implican ninguna inversión. Ajustar el exceso de aire. Consiste en ajustar el flujo de aire en el quemador hasta conseguir un nivel de oxígeno de 3,5 a 4% en el gas de chimenea, sin que se produzcan demasiado inquemados (monóxido de carbono, hollín) en los productos de combustión. El ajuste se realiza en todo el rango de modulación del quemador posicionando el mecanismo de regulación aire-combustible del quemador (varillas y leva) que lleva toda caldera, observando la apariencia de los humos, es decir la presencia de hollín (ajuste grueso) o mediante análisis de gases de chimenea (ajuste fino) que da mejores resultados. El ajuste puede ser realizado por un tercero que cuenta con analizador de gases portátil y experiencia en la metodología de ajuste de combustión. Pocas empresas cuentan con analizadores de gases y personal entrenado en realizar ajustes con dicho analizador. Ajustar temperatura y presión de inyección del combustible al quemador. Consiste en trabajar con los parámetros de operación óptimos indicados por el manual dela caldera, ajustados en campo según la calidad del combustible. Ello ayuda a una combustión eficiente. Ajustar el tiro (presión dentro del hogar). Se consigue posicionando el damper de la chimenea hasta conseguir una presión que permita una buena combustión y llama de forma adecuada. Operar la caldera a factores de carga entre 60 y 70%. En este rango la caldera trabaja a su máxima eficiencia. Esta mejora se puede conseguir operando el quemador de la caldera en posición "manual", lo cual se puede aplicar en aquellas calderas de plantas con procesos estables. La implementación de esta medida depende de las características de la demanda de vapor en la empresa (si es estable o fluctuante) y dela capacidad de la caldera (en las 23 calderas pequeñas cuyos quemadores no son modulantes no es posible aplicar esta medida). Reducir la presión de vapor al mínimo posible. Consiste en ajustar el límite máximo de presión de trabajo en el presóstato de la caldera, que permita tener un vapor a la temperatura y presión conveniente en los usuarios, sin necesidad de generarlo a demasiada presión consumiendo mayor energía. Mantener en buen estado componentes del sistema de combustión. Consiste en realizar un mantenimiento preventivo adecuado a la bomba, calentador de combustible (caso de residuales), válvula moduladora, leva, quemador (especialmente la boquilla de atomización), cono refractario, difusor, etc. El buen funcionamiento de es tos componentes asegura una buena combustión con bajos niveles de exceso de aire y una alta eficiencia de la caldera. Mantener en buen estado la instrumentación y controles. Consiste en tener operativos los manómetros, termómetros, reguladores de presión y flujo de combustible para garantizar una buena combustión en el quemador. Mantener en buen estado los refractarios y aislamiento, para evitar las pérdidas de calor por paredes. Limpiar tubos en el lado de los gases y agua. Consiste en deshollinar los tubos en el lado de los gases o eliminar depósitos de sales en el lado del agua. Ello permite mejorar la transmisión de calor gases-agua e incrementar la eficiencia de las calderas. Cambiar tubos cuando sea necesario. Consiste en cambiar los tubos deteriorados que usualmente se les cierra para que no pase el agua, reduciendo el área de transmisión de calor y la eficiencia de la caldera. Se estima que las siete primeras medidas son muy importantes, en tal sentido deben ser realizadas de forma adecuada por todos los usuarios de calderas, ya que el mal uso de estas, provocaría eficiencias bajas, aun siendo nuevas o medianamente nuevas. Se considera de manera general que la deficiencia más común en las calderas es la falta de mantenimiento adecuado de los componentes del sistema de combustión (especialmente el quemador y controles), lo que obliga a los operadores a usar más exceso de aire del normal para evitar tener demasiado hollín en chimenea, reduciendo así la eficiencia de la caldera, esto se recomienda es recomendable realizarlo mediante un muestreo de Calderas Nacionales. 24 Instalar sistema de control automático del exceso de aire Consiste en regular el flujo de aire y combustible en el quemador hasta conseguir un nivel de oxígeno de 3,5 a 4% en el gas de chimenea, sin que se produzcan demasiado inquemados. Un exceso de aire por debajo del recomendado es causa de la presencia de inquemados en los gases de combustión CO, hollín, etc.). Por otro lado, un exceso de aire por encima del recomendado supone un mayor consumo energético en calentar un aire adicional innecesario. La regulación se realiza en todo el rango de modulación del quemador posicionando automáticamente la válvula de combustible y damper de aire mediante un controlador electrónico que recibe la señal de un censor de oxígeno en continuo instalado en chimenea. El sistema es una mejora de los sistemas mecánicos convencionales instalados en toda caldera (válvula de combustible y damper de aire movidos en paralelo por varillas accionadas por un modulador que a su vez responde a los cambios en presión de vapor de la caldera), ya que incluye en forma adicional un controlador electrónico (procesador), un posicionador diferencial, un sensor de oxígeno y un registrador, si se quiere. Implementar purga automático Una caldera debe purgarse para evitar que las sales disueltas en el agua dentro de la misma se concentren a tal punto que producen arrastres (carryover) y depósitos perjudiciales. Para tal efecto se extrae una pequeña cantidad de agua del interior de la caldera y se reemplaza con agua de aporte fresca. La purga es usualmente realizada en forma manual. Si la purga es insuficiente puede causar incrustaciones y arrastres, mientras que si la purga es excesiva produce pérdidas excesivas de energía y agua (agua caliente) y productos químicos. Las purgas pueden ser desde el fondo (drenaje de la parte baja de la caldera) y desde la superficie (cerca al nivel de agua) dentro del recipiente. Usualmente las calderas pequeñas sólo llevan purga de fondo; mientras que las grandes tienen tanto purga de fondo como de superficie. Un sistema completo de purga automática del agua de caldera elimina los problemas de la purga manual y está conformado por lo siguiente (ver Figura 6-2): Sistema de purga de superficie: consiste en un sistema conformado por un sensor de conductividad (mide indirectamente el contenido de sólidos totales disueltos en el agua de la caldera) cuya señal es recibida por un controlador que gobierna a una válvula de la línea de purga. Si la conductividad está por encima del “set point”, el controlador abre la válvula de purga, y si el “set point” está por debajo, se abre la válvula de purga. El resultado es una purga justo y necesaria que impide derroche de energía por una purga manual excesiva. Sistema de purga de fondo: consiste de un temporizador que gobierna una válvula de la purga de fondo de la caldera, la cual se abre bajo una cierta frecuencia y por un tiempo breve definido por ensayo. 25 8. Conclusiones. El presente documento se basa en registros administrativos de la información que maneja el MTPS, recolectara por obtenidos por Peritos expertos en calderas, y quienes visitan regularmente las instalaciones de las calderas. Las caderas en el país se encuentran ubicadas en la zona central (78.9%), posteriormente, la zona occidental (17.6%) y la zona oriental (3.5%). El 81.8% de las calderas se encuentran concentradas en los departamentos de San Salvador (43.8%), La Libertad (29.9%) y Santa Ana (8.1%). El sector que posee la mayor cantidad de caldera es la Industria (65.4%), posteriormente el sector de servicios (23.1%), Agricultura (7.1%) y el Comercio (4.4%). El el 79.9% de las calderas utilizan combustibles tradicionales para este tipo de maquinarias, como son diésel (38.8%), fuel oil bunker (31.8%) y con un (9%) el GLP. El resto se utilizar Biomasa (ingenios entre otros), energía eléctrica y otros no tradicionales. El promedio de la potencia de las calderas instaladas en El Salvador, es de 141 BHP o 1,383 KW. La potencia acumulada de las calderas que utilizan los combustibles tradicionales (Diésel, Fuel Oil, GLP) ronda 974.007.00 kW o 99.282.00 BHP. Sector servicio específicamente lo que concierne a la atención de la salud humana el 44% de las Calderas tiene una potencia de 60 a 80 BHP o (589 a 785 kW). El Sector Industrial la Potencia de las calderas varía desde 0.8 hasta 1744 (8 a 17110 kW), siendo la mayoría de estas las calderas de 30 BHP (294 kW) en su mayoría dedicadas a fabricación de productos lácteos y maquilas de prendas de vestir. Las calderas de 200 BHP (1962 kW) estas están mayormente se utilizan en el sector textil y producción de alimentos. En el Sector Comercio la mayoría de calderas en El Salvador están entre los 20 a 50 BHP (196 a 491 kW), la mayoría pertenecen a la actividad económica de ventas de productos de alimenticios y productos de vestir. Para el Sector Agrícola, el mayor número de calderas oscilan entre 100 y 150 BHP (981 y 1472 kW), siendo estas enfocada en los Beneficios de Café, Crianza de Animales y Cultivo de Hortalizas. El fuel oil que este producto es utilizado por su bajo costo en el uso de las calderas. 9. Recomendaciones Es importante que las empresas evalúen el uso de buenas prácticas en las calderas, esto con el fin de promover el buen funcionamiento de una caldera, entre las que resalta: Ajustar el exceso de aire, Ajustar temperatura y presión de inyección del combustible al quemador, Ajustar el tiro (presión dentro del hogar), Operar la caldera a factores de carga entre 60 y 70%, Reducir la presión de vapor al mínimo posible, Mantener en buen estado componentes del sistema de combustión, Mantener en buen estado la instrumentación y controles, entre otras. 26 Es importante determinar la edad de las calderas, ya sea por medio de año de fabricación o por medio del año en que se puso en funcionamiento, esto con el objetivo de trazar los planes de inspección a dichos equipos, ya que una Caldera de más de 15 años de antigüedad no se puede inspeccionar que una de un año de antigüedad. Realizar un inventario de Calderas nacionales, por medio de una metodología predeterminada que permita obtener resultados óptimos para los diferentes sectores de interés, que para el caso sería el Ministerio de Trabajo y Previsión Social y El Consejo Nacional de Energía, desde el punto de vista Seguridad Ocupacional y Eficiencia Energética respectivamente. Se recomienda sacar una muestra en base al listado que se maneja en el MTPS con el fin de determinar las eficiencias, emisiones y balances de masa y energía, y en base a esto se harán la propuesta de mejora en la eficiencia de los equipos. 27 10. Anexos Anexo I: Formatos de Inspección de Calderas Eficiencia Energética 28 Formatos de Inspección de Calderas de más de 15 años 29