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EL CICLO COMBINADO; SU POSIBLE UTILIZACION EN LA INDUSTRIA DE LA CAÑA DE AZUCAR

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  1. EL CICLO COMBINADO; SU POSIBLE UTILIZACION EN LA INDUSTRIA DE LA CAÑA DE AZUCAR

  2. EN QUE CONSISTE SU EVENTUAL APLICACION EN LA INDUSTRIA DE LA CAÑA DE AZUCAR ? PORQUE SU UTILIZACION? DIFERENTES ENFOQUES APORTES Y DIFICULTADES

  3. COMBUSTIBLE Gases Al secado Aire A la chim. Comb. Limp. EE Gases Turbina de gas Compresor Vapor de baja EE Turbina de vapor Caldera de recuperación Ciclo Combinado

  4. 1-2 Wcomp= h1 - h2 CICLO BRAYTON (IDEAL) Q=mCpdelta T Temp. 2-3 3 3-4 Wexp= h3 - h4 Wexp isobara Q2-3 4 Wcomp 2 Q4-1 Q1-2 = 0 isobara 1 Entropía

  5. 1-2* Wcomp= h1 - h*2 CICLO BRAYTON (REAL) Q=mCpdelta T* Temp. 2*-3* 3 3* 3*-4* Wexp= h*3 - h*4 Wexp isobara Q2*-3* 4* 2* 2 Wcomp 4 Q4*-1 Q = 0 isobara 1 Entropía

  6. DONDE RADICA LA DIFERENCIA POSITIVA DE ENTREGA DE ENERGIA? SEGUN CARNOT, EL TRABAJO (ENERGIA) MAXIMO QUE SE PUEDE OBTENER DE FORMA CICLICA, IDEAL, DE UNA CANTIDAD DE CALOR Q A UNA TEMPERATURA T VIENE DADO POR : W= Q*((T-T0)/T ) DONDE T0, ES LA TEMPERATURA DEL “FOCO FRIO” AL QUE SE RECHAZA INEVITABLEMNETE UNA CANTIDAD DE CALOR IGUAL A: Q (T0)/T

  7. EL VALOR MAXIMO (IDEAL) DE (T - T0/T), LA EFICIENCIA DE LA MAQUINA,  =1-T0/T AUMENTA, CUANDO T AUMENTA EL VALOR MAXIMO DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE CON BAGAZO, CONDENSANDO A 70 0C, TEMPERATURA DEL HORNO 1100 0C, Y DEL VAPOR, 520 0C (UN CASO EXTREMO), ES:  =(1 - (70+273)/(520+273))*100 = 56.7 %

  8. PARA EL CICLO COMBINADO, CON 1100 0C A LA ENTRADA DE LA TURBINA DE GAS, 550 0C A SU SALIDA, 20 % DE PERDIDAS DE CALOR EN LA CALDERA DE RECUPERACION, GENERANDO VAPOR A 400 0C, Y 70 0 C EN EL VAPOR CONDENSANTE. LA ENERGIA MECANICA MAXIMA POSIBLE ES: Q*(1- T550/ T1100) + Ef caldera*Q*(T550/T1100)*(1-(T70/T400))  =(1- T550/ T1100) + Ef caldera*(T550/T1100)*(1-(T70/T400))

  9. (1- (550+273)/(1100+273)) + (80/100)*((550+273)/(1100+273))*(1-(70+273)/(400+273)) =[0.40 + 0.23] = 0.63*  = 63.0 % ES DECIR, EN CUALQUIER CASO, LA EFICIENCIA DEL CICLO COMBINADO VA A ESTAR POR LO MENOS 10 % POR ENCIMA DEL CICLO RANKINE. EN LA PRACTICA, LAS DIFERENCIAS SON MUCHO MAYORES, EL CICLO BRAYTON NO TIENE LAS PERDIDAS DE “DISPONIBILIDAD” DE CONVER- SION DE ENERGIA TERMICA EN MECANICA DEL RANKINE.

  10. UNA PLANTA ELECTRICA MUY BUENA, DE RELATIVA- MENTE ALTA CAPACIDAD (300 MW), SEGUN EL CICLO RANKINE, PUEDE QUEMAR 220 GRAMOS DE PETROLEO COMBUSTIBLE POR KW-H, LO QUE EQUIVALE A 2156 KCAL POR KW-H, QUE ES IGUAL A 8553 BTU POR KW-H, O A 9.6MJ POR KW-H, QUE CORRESPONDE A UNA EFICIENCIA DEL 40 %, . TODOS LOS INDICADORES, CUANDO PROCEDE, SOBRE LA BASE DEL VALOR CALORICO BAJO. EN “GAS TURBINE WORLD 2000-2001 HANDBOOK”, SE REPORTAN TURBINAS DE GAS, CICLO BRAYTON, NO CICLO COMBINADO, CON INDICADORES SIMILARES, EN UNIDADES, INCLUSIVE BASTANTE MAS PEQUEÑAS, DEL ORDEN DE 20 A 40 MW.

  11. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACION DE PETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, O GASIFICADO BIOMASA; GASIFICADA TRATADA MECANICAMENTE TRATADA MECANICA + QUIMICAMENTE.

  12. GASIFICACION GASIFICACION; CONVERSION DE UN COMBUSTIBLE SOLIDO O LIQUIDO EN UN COMBUSTIBLEGASEOSO DE PRIMERA IMPORTANCIA EN LA UTILIZACION DE LA BIOMASA COMO COMBUSTIBLE, AUNQUE NO ES OBLI-- GADA SU INCORPORACION. FUNDAMENTALMENTE, HAY DOS TIPOS, LA DE COM-- BUSTION DIRECTA POR AIRE Y LA DE COMBUSTION INDIRECTA POR CALENTAMIENTO CON UN SOLIDO EN LECHO FLUIDIZADO. ESTA ULTIMA, GENERANDO UNA MEZCLA GASEOSA CON MAYOR VALOR CALORICO.

  13. ELEMENTOS IMPORTANTES EN LA GASIFICACION, DESDE PUNTOS DE VISTA DE LA BIOMASA SON: -- MORFOLOGIA Y GRANULOMETRIA DE LA BIOMASA --COMPORTAMIENTO MECANICO EN SU MANIPULACION -- SU HUMEDAD -- CONTENIDO DE CENIZAS -- COMPOSICION DE ESTAS, TANTO EN EL TEJIDO VEGETAL COMO DESPUES DE LA GASIFICACION -- COMPOSICION DEL GAS FORMADO -- SU VALOR CALORICO

  14. DOCUMENTO DEL DPTO DE ENRGIA DEL GOBIERNO DE EE UU (Accesible en INTERNET) DOE / GO -- 100096 -- 349 NREL / FS 22315 AGOSTO DEL 97, REVISADO EN ENERO DEL 2000 GASIFICACION POR CALENTAMIENTO (COMBUSTION) DIRECTA CON AIRE RENUGAS EN PROCESO DE DEMOSTRACION EN HAWAII DESARROLLADO POR “INSTITUTE OF GAS TECHNOLOGY” CON LA PARTICIPACION DE WESTINGHOUSE, HAWAII COMERCIAL SUGAR CORPORATION, EL ESTADO DE HAWAII, Y OTROS. SE PROBO CON BAGAZO EN LA ISLA DE MAUI EN 1996 A UNA RAZON DE 50 TON POR DIA, TRABAJANDO A UNA PRESION DE 150 LB / PULG CUADRADA. SE DESARROLLARON DOS VARIANTES, LA DE HAWAII Y LA DE FINLANDIA (TAMPELLA), ORIGINALMENTE DISE-- ÑADA PARA CARBON. ES DE LECHO FLUIDIZADO.

  15. GASIFICACION POR CALENTAMIENTO (COMBUSTION) INDIRECTA. BATELLE / COLUMBUS EN PROCESO DE DEMOSTRACION EN “ McNEIL POWER STATION”, BURLINGTON, VERMONT

  16. ASPECTOS ECONOMICOS INVOLUCRADOS EN EL TRABAJO “ BIOMASS GASIFICATION; COMMERCIALIZATION AND DEVELOPMENT”, DE RICHARD L. BAIN, KEVIN C. CRAIG, Y RALPH P. OVEREND, DEL NREL DEL DOE, LOS AUTORES CONSIDE-- RAN LOS COSTOS DE INVERSION EN GASIFICACION, SIMILARES A LOS DEL RESTO DEL CICLO, ESTO ES, ENTRE US$ 600 Y 800 POR KW DE POTENCIA INSTALADA. PARA UNA PRIMERA PLANTA US $ 650 POR KW, Y PARA LA NPLANTA , US$ 450 POR KW INSTALADO. EN EL PROPIO TRABAJO SE DA COMO COSTO DEL MW-H US$43, DE LOS CUALES, 10.7 SE LO ASIGNAN AL COMBUSTIBLE.

  17. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACION DE PETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, O GASIFICADO BIOMASA; GASIFICADA TRATADA MECANICAMENTE TRATADA MECANICA + QUIMICAMENTE.

  18. BIOTEN INC, DE 10330 TECHNOLOGY DRIVE , KNOXVILLE TENNESEE, EEUU, REPORTA LA OPERACION DE UNA INSTA-- LACION QUE TRABAJA CON RESIDUOS DE MADERA SIN GASIFICACION, SOLAMENTE CON ACONDICIONAMIENTO MECANICO Y SECADO (SAWDUST). LA TURBINA DE GAS, QUE MUEVE UN GENERADOR DE 6.0 MW, FUE ADAPTADA DIRECTAMENTE POR ESTA EMPRESA, LA CAMARA DE COMBUSTION ES EXTERNA, Y LOS GASES SON LIMPIADOS SOLAMENTE CON UN SEPARADOR CICLON DEL CUAL SALEN LOS GASES A LA TURBINA.

  19. COMBUSTIBLES ? GAS NATURAL GAS DE PRODUCTOS RESIDUALES DE REFINACION DE PETROLEO LIQUIDOS; KEROSENE Y OTROS CARBON; PULVERIZADO, O GASIFICADO BIOMASA; GASIFICADA TRATADA MECANICAMENTE TRATADA MECANICA + QUIMICAMENTE.

  20. EN LA REUNION ANUAL DE LA AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA. TAREA No. 17 (1999) SE REPORTO UN TRABAJO SOBRE LA UTILIZACION DE BIOMASA TRATADA MECANICA + QUIMICA-- MENTE MODIFICANDO SU POROSIDAD DE TAL FORMA QUE LA VELOCIDAD DE COMBUSTION AUMENTA HASTA 10 VECES, QUE-- MANDOSE COMO UN GAS CON LA CONSIGUIENTE DISMINUCION DEL VOLUMEN DE LA CAMARA DE COMBUSTION ASI COMO CON LA POSIBILIDAD DE UTILIZAR BAJOS EXCESOS DE AIRE SOBRE EL TEORICO REQUERIDO, SOLO CINCO AL DIEZ PORCIENTO.

  21. Combustion de bagazo tratado

  22. 1-2* Wcomp= h1 - h*2 CICLO BRAYTON (REAL) Q=mCpdelta T* Temp. 2*-3* 3 3* 3*-4* Wexp= h*3 - h*4 Wexp isobara Q2*-3* 4* 2* 2 Wcomp 4 Q4*-1 Q = 0 isobara 1 Entropía

  23. Diagrama de Flujo de Información en el Cálculo de la Turbina de Gas

  24. Composición Elemental del Bagazo Base libre de cenizas Carbono . . . . . . . . . . . 47.0 48.2 Hidrógeno . . . . . . . . . . 6.5 6.7 Oxígeno . . . . . . . . . . . . 44.0 45.1 Cenizas . . . . . . . . . . . . 2.5 - - 100.0 % 100.0 %

  25. Combustión de Bagazo Fórmula empírica del bagazo C 48.2/12 H 6.7/1 O45.1/16 o C4.02 H 6.7 O 2.82 Reacción de Combustión; base de cálculo  PME (empírico) del Bagazo = 48.2+6.7+45.1 = 100 (/100)C4.02H6.7O2.82 bagazo + (1.0+/100)*(/100)*( 4.02*2 + (6.7/2 ) - 2.82)*(1/2)O2 moles de oxigeno que vienen en el aire

  26. + (79/21)*(1.0+/100)*(/100)*( 4.02*2 + (6.7/2) - 2.82)*(1/2) N2 moles nitrogeno que vienen con el oxigeno del aire + ()*(hum/100)/18)H2O moles de agua como humedad en el combustible calor liberado 4.02*(/100) [CO2+((6.7/2)*(/100)[H2O]+(BC)*(moist/100)/18)H2O + (/100)*(/100)*( 4.02*2 + (6.7/2) - 2.82)*(1/2)O2 + (79/21)*(1.0+/100)*(/100)*( 4.02*2 + (6.7/2) - 2.82)*(1/2) N2

  27. C4.02H6.7O2.82 + (4.285 O2 + 16.12 N2) (1+/100) 4.02CO2 + 3.35H2O + 4.285(/100)O2 + 16.12(1+/100)N2 o de otra forma C4.02H6.7O2.82 + 20.4 (1+/100) Aire Bagazo 4.02CO2 + 3.35H2O + 4.2 85(/100)O2 + 16.12(1+/100)N2

  28. BASE DE CALCULO; 1000 KG DE BAGAZO TRATADO, CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS SEGUN CALCULOS EN HOJA EXCEL, SE OBTIENE, ENTRE OTROS RESULTADOS; % mol CP prom 200/800 Kcal/mol-Kg-0 K CO2 7.88 11.83 O2 10.92 7.89 N2 72.70 7.48 H2O 8.49 9.17 PROMEDIO 8.01 PMP MOL-KG TOTALES DE GASES 433.47 28.85 MOL-KG TOTALES DE AIRE 398.91 28.84

  29. Cálculos de la Estequiometría, Termofísica y Termoquímica de la Combustión

  30. COMPRESION DEL AIRE, ETAPA 1-2* PARA UN PROCESO ISENTROPICO 1) 2) 3) 4) AIRE IGUALANDO LAS EXPRESIONES 2 Y 3, SUSTITU- YENDO Cp, REUBICANDO T, INTEGRANDO, RES- PETANDO UNIDADES (J), E INTRODUCIENDO EFICIENCIA DEL COMPRESOR .

  31. J ; equivalente mecánico del BTU = 778.26 pie-lbfuerza / BTU R = 1544 pie-lbfuerza / mol-lb - 0 R p2 = 90 lb / pulg 2 abs; p1 atm., 14.696 lb/pulg2 abs. p2 / p1 ; razón de compresión del compresor = 6.12  = delta H ideal / delta H real = 0.85 T1; temperatura admisión del aire = 24 0 C T2; temperatura de salida del aire = 938 0 R = 521 K 248 0 C Trabajo de compresión; 2913 BTU/ mol-lb 1618 Kcal / mol-kg 1.8818 Kw-h/mol-Kg

  32. Trbajo de Compresión del Aire

  33. CALENTAMIENTO ISOBARICO BALANCE DE ENTALPIA EN LA CAMARA DE COMBUSTION; ETAPA 2*-3* ENTALPIA DE LOS REACTIVOS (BAGAZO + AIRE) + VCB = ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS (CO2 + O2 + N2 + H2O) MEDIANTE EL BALANCE, SE CALCULA LA TEM- PERATURA DE SALIDA DE LOS GASES DE LA CA- MARA (ENTRADA A LA TURBINA), EN ESTE CASO; = 1495 K = 1222 0 C = 2232 0 F

  34. EXPANSION CASI ISENTROPICA EN LA TURBINA DE GAS (ETAPA 3*-4*) EL MODELO A SEGUIR ES EL MISMO DEL COMPRESOR, SOLO MOVIENDO LA EFICIENICIA DE LA MAQUINA AL TERMINO DE LA DERECHA

  35. Trabajo de Expansión Realizado por los Gases

  36. TEMPERATURA DE LOS GASES A LA SALIDA DE LA TURBINA 776 0 C = 1429 0 F ENTREGA DE ENERGIA POR LA TURBINA DE GAS = 3643 Kcal / mol-Kg = 6558 Btu/mol-lb = 4.2364 Kw-h/mol-Kg ENERGIA UTILIZADA POR EL COMPRESOR PORCIENTO DE LA GENERADA POR LA TURBINA. ((398.92*1.8818 )/(433.47*4.2364))*100 = 41 ENTREGA NETA DE LA TURBINA DE GAS 433.47*4.2364 - 398.92*1.8818 = 1086 KW-H POR CADA 1000 KG DE BAGAZO TRATADO, CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS.

  37. RECUPERACION DEL CALOR SENSIBLE DE LOS GASES DE ESCAPE DE LA TURBINA. BASE; 1000 KG DE BAGAZO TRATADO, CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS. GASES; 433.47 MOL-KG TEMP 776 0 C = 1049 K Cp CALCULADO, 8.01 Kcal/mol-k  H = 433.47*(776-160)*8.01*0.98 = 2 095 695 Kcal GENERANDO VAPOR A 60 ATA/ 450 0 C, DESDE AGUA A 100 0 C CON HAGUA=687 Kcal/Kg GENERACION = 2 095 695/687 = 3050 Kg

  38. GENERACION ELECTRICA EN LA TURBINA DE VAPOR CON PRESION DE ESCAPE DE 2.0 ATA MAN, 3 ATA ABS., EL CONSUMO ESPECIFICO ES DE 8.85 KG/KW-H, QUE PROMUEVE UNA GENERA- CION EN LA TURBINA DE VAPOR DE GE TV = 3050/8.85 = 345 KW-H PARA UN TOTAL DE 1086 + 345 = 1431 KW-H EL BAGAZO TRATADO PROVIENE DE (1000/0.8)*0.85/0.14 = 7589 KG DE CAÑA

  39. QUEDANDO COMO INDICADORES FINALES 1431/7.589 = 189 KW-H/ TON DE CAÑA 3050/7.589 = 402 KG DE VAPOR/ TON DE CAÑA 433.47/7.589 = 57.12 MOL-KG DE GC A 160 0 C POR TON DE CAÑA

  40. BASE DE CALCULO; 1000 KG DE BAGAZO TRATADO, CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS SEGUN CALCULOS EN HOJA EXCEL, SE OBTIENE, ENTRE OTROS RESULTADOS; % mol CP prom 200/800 Kcal/mol-Kg-0 K CO2 7.58 11.83 O2 11.31 7.89 N2 72.94 7.48 H2O 8.16 9.17 PROMEDIO 8.01 PMP MOL-KG TOTALES DE GASES 450.82 28.85 MOL-KG TOTALES DE AIRE 416.26 28.84

  41. J ; equivalente mecánico del BTU = 778.26 pie-lbfuerza / BTU R = 1544 pie-lbfuerza / mol-lb - 0 R p2 = 120 lb / pulg 2 abs; p1 atm., 14.696 lb/pulg2 abs. p2 / p1 ; razón de compresión del compresor = 8.16  = delta H ideal / delta H real = 0.85 T1; temperatura admisión del aire = 24 0 C T2; temperatura de salida del aire = 1021 0 R = 567 K 294 0 C Trabajo de compresión; 3516 BTU/ mol-lb 1953 Kcal / mol-kg 2.27 Kw-h/mol-Kg

  42. TEMPERATURA DE LOS GASES A LA SALIDA DE LA TURBINA 718 0 C = 1324 0 F ENTREGA DE ENERGIA POR LA TURBINA DE GAS =4201 Kcal / mol-Kg = 7562 Btu/mol-lb = 4.8849 Kw-h/mol-Kg ENERGIA UTILIZADA POR EL COMPRESOR PORCIENTO DE LA GENERADA POR LA TURBINA. ((416.26*2.2709 )/(450.82*4.8849))*100 = 42.9 ENTREGA NETA DE LA TURBINA DE GAS 450.82*4.8849 - 416.26*2.2709 = 1257 KW-H POR CADA 1000 KG DE BAGAZO TRATADO, CON 15 % DE HUMEDAD Y CERO CENIZAS.