UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS Departamento Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas
MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DE LA CALDERA GENERADORA DE VAPOR Y CALDERAS RECUPERADORAS DE CALOR MEDIANTE EL SOFTWARE METSIM INFORME DE AVANCE 2
FELIPE IGNACIO AGUIRRE ZAZZALI LUIS GABRIEL ARAYA PIZARRO Profesores Guía:
Ing. Civil Metalúrgico Dr. Antonio Iván García Alvear Ing. Civil Metalúrgico Sra. María Hilda Flores Medel
Antofagasta, Chile 2014
NOMENCLATURA
CPS :
Convertidor Pierce Smith
CGV :
Caldera generadora de vapor
CR1 :
Caldera recuperadora 1
CR2 :
Caldera recuperadora 2
Metsim:
Simulador metalúrgico
FO6:
Fuel Oil 6
i
NOMENCLATURA
CPS :
Convertidor Pierce Smith
CGV :
Caldera generadora de vapor
CR1 :
Caldera recuperadora 1
CR2 :
Caldera recuperadora 2
Metsim:
Simulador metalúrgico
FO6:
Fuel Oil 6
i
1.
INDICE Introducción ................................................. .......................................................................... .......................................... ................. 1
2.
Descripción de la planta................................................... planta......................................................................... ...................... 2 2.1. Almacenamiento...................... Almacenamiento................................................ .................................................... .............................. .... 2
3.
4.
2.2.
Proceso de secado................................................ .......................................................................... .......................... 3
2.3.
Proceso de fusión...................................................... fusión............................................................................ ...................... 5
2.4.
Proceso de conversión ................................................... .................................................................... ................. 6
2.5.
Proceso de refinación a fuego ................................................ ......................................................... ......... 7
2.6.
Proceso de moldeo moldeo .............................. ........................................................ ........................................... ................. 8
2.7.
Plantas de ácido ................................................ .......................................................................... .............................. .... 8
2.8.
Tratamiento de escorias ................................................. .................................................................. ................. 9
Objetivos............................................................. ....................................................................................... ................................. ....... 10 3.1.
Objetivo general .................................................... ............................................................................ ........................ 10
3.2.
Objetivos específicos .................................................................... .................................................................... 11
Marco teórico ................................................... ............................................................................ .................................... ........... 11 4.1.
Proceso de secado................................................ ........................................................................ ........................ 11
4.1.1.
Secado sin aporte de calor ................................................... ..................................................... .. 11
4.1.2.
Secado con aporte apor te de calor .................................................. .................................................... .. 12
4.2.
Mecanismo de secado: .......................................................... ................................................................. ....... 13
4.2.1.
Condiciones externas: ......................................................... ............................................................ ... 13
4.2.2.
Condiciones internas: ...................................................... ............................................................. ....... 13
4.3.
Curvas de secado .............................................................. ......................................................................... ........... 13
4.4.
Secado de concentrado ................................................. ................................................................ ............... 16
4.5.
Secadores Rotatorios ................................................ .................................................................... .................... 17 ii
4.5.1.
Tipos de Secadores Rotatorios............................................... 17
4.5.2.
Flujo a Contracorriente ........................................................... 20
4.5.3.
Flujo en Co-corriente .............................................................. 21
4.6.
Transmisión de calor ..................................................................... 22
4.6.1.
Conducción ............................................................................. 22
4.6.2.
Convección ............................................................................. 23
4.6.3.
Radiación ................................................................................ 23
4.7.
Vapor............................................................................................. 23
4.7.1.
Conceptos fundamentales ...................................................... 25
4.7.2.
Factores que influyen en el punto de ebullición. ..................... 26
4.8.
METSIM ........................................................................................ 26
4.8.1.
Estructura del Software .......................................................... 27
4.8.2.
Planificación de un modelo METSIM. ..................................... 29
4.9.
Combustión ................................................................................... 30
4.9.1. 4.9.2. 4.9.3. 4.10.
Definición de combustible y su clasificación. .......................... 32 Propiedades generales de los combustibles. ............................. 33 Fuel Oil 6 ................................................................................ 35 Descripciones de calderas ......................................................... 36
4.10.1. Calderas. ............................................................................... 36 4.10.2. Partes de una caldera. ........................................................... 38 4.10.3. Tipos de calderas .................................................................. 43 4.10.3.1. Calderas pirotubulares. ....................................................... 43 4.10.3.2. Calderas acuotubulares. ..................................................... 45 4.11.
Tratamiento de agua .................................................................. 46 iii
4.11.1. Aguas Duras .......................................................................... 46 4.11.2. Aguas Blandas ...................................................................... 46 4.11.3. Aguas Neutras ....................................................................... 47 4.11.4. Aguas Alcalinas ..................................................................... 47 4.11.5. Tratamientos físicos............................................................... 47 4.11.5.1. Purga de fondo. .................................................................. 48 4.11.5.2. Purga de superficie. ............................................................ 48 4.11.6. Tratamientos químicos. ......................................................... 49 4.11.6.1. Reductoras de dureza o ablandadoras. .............................. 49 4.11.6.2. Inhibidores de corrosión: .................................................... 49 4.11.6.3. Inhibidores de fragilidad caustica:....................................... 50 4.11.6.4. Inhibidores de adherencias por lodos: ................................ 50 4.11.7. Tratamientos térmicos: .......................................................... 50 4.11.8. Tratamientos mixtos: ............................................................. 50 4.11.9. Tratamientos eléctricos:......................................................... 51 4.12. vapor.
Problemas generados al interior de las calderas generadoras de 51
4.12.1. Incrustaciones. ...................................................................... 51 4.12.2. Corrosión. .............................................................................. 54 4.12.2.1. Corrosión general. .............................................................. 55 4.12.2.2. Corrosión por oxigeno o pitting . .......................................... 55 4.12.2.3. Corrosión cáustica. ............................................................. 56 4.12.2.4. Corrosión por anhídrido carbónico. ..................................... 56 5.
Presentación del problema .................................................................. 57 iv
6.
Metodología ......................................................................................... 59 6.1.
Herramientas ................................................................................. 61
6.1.1. 7.
Metsim .................................................................................... 61
Bibliografía ........................................................................................... 62
v
Índice de figuras Figura 1.Bodega de materias primas . .......................................................... 3 Figura 2. Secador Kumera presente en Altonorte ......................................... 4 Figura 3. Reactor Noranda presente en Altonorte. ....................................... 5 Figura 4. Convertidores Pierce Smith presente en Altonorte. ....................... 6 Figura 5. Hornos de refinacion presente en Altonorte................................... 7 Figura 6. Rueda de moldeo presente en Altonorte. ...................................... 8 Figura 7.Planta de ácido presente en Altonorte. ........................................... 9 Figura 8. Parcelas de enfiramiento de escorias presente en altonorte ....... 10 Figura 9.Cambio del contenido de humedad en el tiempo .......................... 14 Figura 10. Curva de velocidad de secado ................................................... 15 Figura 11. Secador rotario a calor directo .................................................. 18 Figura 12. Secador rotatorio calor indirecto . .............................................. 19 Figura 13. Flujo contracorriente. ................................................................. 20 Figura 14. Flujo Co-corriente ..................................................................... 21 Figura 15. Ejemplo funcionamiento caldera pirotubular. ............................. 44 Figura 16. Ejemplo funcionamiento caldera acuotubular. ........................... 46 Figura 17. Incrustaciones en el fondo de la caldera ................................... 52 Figura 18. Corrosión por pitting. .................................................................. 56
Índice de tablas Tabla 1. Distintos poderes caloríficos de combustibles .............................. 34 Tabla 2. Propiedades del FO6. .................................................................. 35 Tabla 3. Composición química del FO6 ...................................................... 35 Tabla 4. Condiciones de diseño ................................................................. 58 Tabla 5. Condiciones de planta .................................................................. 58
vi
1. Introducción El complejo metalúrgico Altonorte es una fundición de cobre donde se obtiene como producto final un ánodo de cobre con una ley de 99,8%. Altonorte recibe concentrados de cobre de distintas empresas mineras presentes en la región, este concentrado debe ser sometido a un proceso de secado para reducir el contenido de humedad presente en él, y así disminuir el consumo energético en el proceso de fusión. El secado se realiza en un secador tipo Kumera, el cual suministra el calor al concentrado mediante vapor El objetivo de esta investigación es optimizar el funcionamiento de la caldera generadora de vapor y las calderas recuperadoras de calor, identificando y analizando las variables que afectan al proceso de secado de concentrado, de modo generar un modelo que permita controlar dichas variables. Estas calderas suministran el vapor necesario al secador Kumera, el cual reduce el contenido de humedad del concentrado de cobre de un 8-9% a un 0,2%. La caldera generadora obtiene el calor necesario para la producción de vapor mediante los gases de combustión del FO6 mientras que las calderas recuperadoras obtienen el calor, necesario para vaporizar el agua, de los gases provenientes de las dos plantas de ácido existentes. Actualmente el vapor producido para secar el concentrado es suministrado en gran parte por la caldera generadora, esto debido a que la caldera recuperadora № 3 se encuentra fuera de servicio y la caldera recuperadora № 1 no logra generar el vapor estipulado por diseño. Debido a
esto la caldera generadora debe producir más vapor del que se tenía estipulado desde un comienzo. Lo mencionado anteriormente se ve reflejado en un excesivo consumo de combustible (FO6) por parte de la CGV, produciendo un alto costo operacional, el cual no estaba contemplado. 1
Esta investigación tiene por objetivo identificar y analizar las variables que afectan al proceso de secado de concentrado, de este modo generar un modelo que permita controlar dichas variables.
2. Descripción de la planta Altonorte es un Complejo Metalúrgico que se abastece con concentrados de cobre de terceros, está ubicado en las cercanías de la ciudad de Antofagasta, específicamente en Panamericana Norte km. 1348, sector La Negra, a 25 km al sureste de la ciudad de Antofagasta. Tiene capacidad para procesar 1.160.000 toneladas de concentrado de cobre al año, produce anualmente 300.000 toneladas de ánodos de cobre y 1.000.000 de toneladas de ácido sulfúrico.
2.1. Almacenamiento El proceso de producción de Altonorte comienza con la recepción y almacenamiento del concentrado de cobre, con un contenido de cobre del orden del 35% y una humedad entre el 8% a 9%, el cual es almacenado en la bodega de almacenamiento de materias primas (BAMP), la cual posee una capacidad de 16.000 toneladas, donde además de concentrado de cobre se almacena carbón coque, sílice, circulantes, entre otros, ver figura 1. El concentrado de cobre es abastecido por las compañías mineras Escondida, Mantos Blancos, Collahuasi, Zaldivar, entre otras.
2
Figura 1.Bodega de materias primas .(Casanga,D. 2013) 2.2. Proceso de secado El concentrado es enviado por medio de correas transportadoras hasta la planta de secado. Las operaciones de la planta de secado se orientan a reducir del 8% o 9% de humedad contenida en el concentrado de cobre hasta un 0,2% de humedad. El concentrado es alimentado al secador Kumera, ver Figura 2, de 4 m de diámetro y 14 m de largo, el cual remueve la humedad del concentrado a través de transferencia de calor, el cual es suministrado por vapor. (CLEAVER BROOKS, 2013)
3
Figura 2. Secador Kumera presente en Altonorte. (Archivo personal) El vapor ingresa al secador Kumera a través de un serpentín de tubos en contracorriente del concentrado húmedo alimentado. El vapor utilizado en el secador Kumera es suministrado por tres calderas; una generadora de vapor y dos recuperadoras de calor, la primera utiliza los gases generados por la combustión de FO6, mientras que las recuperadoras utilizan los gases de salida de las plantas de ácido № 1 y № 3 para vaporizar el agua. Finalmente, el concentrado seco es transportado neumáticamente a dos silos, cada uno con capacidad para almacenar 400 toneladas, desde donde se inyecta el concentrado al reactor Noranda. El secador está diseñado para procesar hasta 240 toneladas por hora de concentrado húmedo, en estas condiciones requiere de un flujo másico de 45,6 toneladas por hora de vapor seco, a una temperatura y presión de 214 °C y 2 [MPa] respectivamente. El concentrado que ingresa al secador tiene un contenido de humedad del 8% a 9%, con una temperatura de 10 °C y sale de éste con una humedad de 0,2% a una temperatura de 115 °C. La cantidad de agua evaporada en el proceso de secado es de 21 toneladas por hora, mientras que los gases de salida generados en el proceso tienen una temperatura de 125 °C. 4
2.3. Proceso de fusión El proceso de fusión de concentrados se realiza en el reactor Noranda, ver
Figura 3, el cual tiene una capacidad de tratamiento promedio de 3.250 toneladas diarias de concentrado seco. La operación consiste en la fusión de concentrados de cobre, donde se obtiene como producto metal blanco con un valor promedio de 74% de Cu, y una escoria con un contenido de cobre cercano al 5%, los gases generados en este proceso son enviados a la plata de ácido № 1.
Figura 3. Reactor Noranda presente en Altonorte. (Archivo personal.) El Reactor permite fundir el concentrado por medio del calor que se libera en la oxidación del hierro y azufre contenidos en el concentrado, constituyendo un proceso de fusión autógena, el cual utiliza aire enriquecido con valores entre 37% y 40% de oxígeno promedio. El concentrado fundido se separa por sedimentación en dos fases, denominadas metal blanco y escoria (Mendoza ,O. 2010; Morgado,D. 2013). 5
2.4. Proceso de conversión Posterior al proceso de fusión el metal blanco es trasladado a convertidores Pierce Smith (CPS), ver Figura 4, en donde se oxida el azufre remanente inyectando aire enriquecido con oxígeno a través de toberas sumergidas en el baño fundido. Esta operación consiste en obtener a partir del metal blanco, cobre blíster con una pureza entre 98,5% a 99,3% de Cu.
Figura 4. Convertidores Pierce Smith presente en Altonorte. (Archivo personal) Actualmente existen cuatro CPS, tres CPS operativos, mientras un CPS se encuentra en estado de espera. Los gases generados en esta etapa son capturados mediante campanas y enviados a la planta de ácido № 3.
6
2.5. Proceso de refinación a fuego Una vez realizada la conversión del metal blanco a cobre Blister, éste se dirige al proceso de refinación, el cual se realiza en 3 hornos de refinación a fuego, ver
Figura 5, con una capacidad de tratamiento de 250 toneladas por ciclo. El objetivo del proceso de refinación es disminuir el contenido de azufre y oxígeno del cobre Blister, esto se realiza con el propósito de aumentar el contenido de cobre metálico y eliminar la formación de ampollas durante la solidificación del metal en el proceso de moldeo. Desde este proceso de obtiene cobre refinado o Anódico, con una ley de cobre del 99.6%. El proceso de refinación consta de 2 etapas para la eliminación de azufre y oxígeno, la etapa de oxidación y reducción respectivamente. (Complejo metalúrgico altonorte, 2010)
Figura 5. Hornos de refinacion presente en Altonorte. (Mendoza, O. 2010) 7
2.6. Proceso de moldeo
Finalmente se realiza el proceso de moldeo, en donde el cobre se extrae de los hornos de refino a través del orificio de sangría y se vierte en canaletas que lo conducen a dos ruedas de moldeo, ver figura Figura 6. Cada rueda posee 24 moldes y una capacidad de 60 toneladas por hora. El peso de los ánodos fluctúa entre los 340 y 420 kilogramos, esto dependerá de los requerimientos del cliente.
Figura 6. Rueda de moldeo presente en Altonorte. (Mendoza, O. 2010) 2.7. Plantas de ácido Altonorte cuenta con dos plantas de ácidos, № 1 y № 3, ver Figura 7, en donde tratan los gases, específicamente SO 2, producidos en el proceso de fusión y conversión, respectivamente. Cada planta de ácido tiene 8
una capacidad de procesar 190.000 [Nm 3/h] de gases producidos en los procesos de fusión y conversión. El proceso de cada planta de ácido consiste en la limpieza, enfriamiento y secado de los gases producidos en donde se
retira el material particulado e impurezas. Luego se realiza la conversión y absorción,
transformándose
el
SO2
en
H2SO4
para
su
posterior
almacenamiento y venta.
Figura 7.Planta de ácido presente en Altonorte. (Mendoza, O. 2010)
2.8. Tratamiento de escorias La escoria, con contenido del 5% de Cobre, es enviada a la planta de tratamiento de escorias, ver Error! Reference source not found. . Primeramente la escoria es enfriada en parcelas, un total de seis parcelas, cada una de estas parcelas tiene la capacidad de almacenar 1.760 toneladas de escoria donde se produce el enfriamiento de dichas escorias. Este enfriamiento se realiza en algunas ocasiones en forma natural y en otras en forma forzada por el agregado de agua de riego. Posterior a su enfriamiento la escoria es 9
enviada a la planta de flotación, previa molienda clasificación en un sistema compuesto por un Molino SAG y un Molino de bolas.
Figura 8. Parcelas de enfiramiento de escorias presente en altonorte.( Archivo personal)
Una vez terminado el proceso de conminución de la escoria, se realiza el proceso de flotación en cual se recupera en promedio el 92% del cobre contenido en la escoria, el cual es retornado al proceso de fusión como carga fría. El relave obtenido en el proceso de flotación es enviado al tranque relaves.
3. Objetivos 3.1. Objetivo general Modelar y simular el comportamiento de las variables en la operación de la caldera generadora de vapor y recuperadoras de calor, en el programa computacional de simulación de procesos metalúrgicos, METSIM. Esto se realizará con el fin de controlar las distintas relaciones entre estas variables, 10
generando planes de acción preventivos y predictivos con el fin de aumentar la eficiencia de dichos equipos.
3.2. Objetivos específicos
Generación del modelamiento, simulación y optimización de cada variable con el sistema METSIM, de la caldera generadora de vapor y de las calderas recuperadoras de calor.
Optimizar el consumo de FO6 y generar generar data de las variaciones de consumo según requerimiento operacional.
Estimar los rangos de la la generación de purgas a través de los análisis químicos realizados por la empresa NALCO, cuantificándolas según su consumo.
Generación de de procedimientos adecuados para la buena operación de las distintas calderas.
4. Marco teórico 4.1. Proceso de secado El secado se describe como el proceso de eliminación parcial o total de los líquidos que humedecen un material, y así obtener un producto sólido y seco. El proceso de secado consiste en la transferencia de calor desde el agente secador al producto, esto se realiza con dos propósitos; retirar la humedad desde el producto y el transporte de ésta hacia el exterior para su difusión atmosférica. Existen diversas formas de secado de un material, entre los que podemos encontrar los siguientes:
4.1.1. Secado sin aporte de calor 11
Este tipo de secado utiliza sustancias higroscópicas como agente secador, estas sustancias pueden ser sales, celulosa, gel de sílice, etc. La sustancia higroscópica se pone en contacto directo con el elemento a secar, captura la humedad que éste arrastra o trae consigo. En estos casos no hay intercambio de calor y la humedad se extrae en forma directa.
4.1.2. Secado con aporte de calor Es un secado térmico que puede utilizar aire, gases de combustión, vapor, entre otros como agente secador, mientras que el calor necesario para la evaporación de agua puede ser proporcionado tanto por otros medios, como gases de combustión.
Cuando un sólido húmedo es sometido a secado térmico, ocurren dos procesos simultáneamente:
Transferencia de energía, en forma de calor, calor, de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie.
Transferencia de masa, la humedad interna hacia la superficie del sólido.
La transferencia de energía puede ocurrir como resultado de convección, conducción y/o radiación, en algunos casos se puede presentar la combinación de estos efectos.
En el secado por convección, el calor necesario necesario para la evaporación del líquido, se transmite a través de un agente gaseoso que pasa a través del sólido.
En el secado por conducción el producto a secar atraviesa el o los recipientes calentados o se desplaza por encima de estos. El calor
12
también se difunde en el sólido a través de la conductividad del propio sólido.
En el secado por radiación el calor se transmite por las superficies radiantes próximas.
4.2. Mecanismo de secado: La transferencia de masa y calor, del proceso de secado, dependen de condiciones externas e internas:
4.2.1. Condiciones externas: Estas condiciones se describen como la resistencia de la capa límite del gas a la transferencia de masa y calor, si estas predominan el secado dependerá de las condiciones del gas y no del sólido. De ser así, el proceso estará controlado por la transferencia de masa y calor, entre el gas y la superficie del sólido, utilizándose todo el calor recibido por el gas en la evaporación del líquido.
4.2.2. Condiciones internas: Estas condiciones se describen como la transferencia de calor y de masa a través del sólido. Cuando la resistencia a la transferencia de masa a través del material es superior a la de la capa límite de gas, el proceso estará controlado por la difusión interna y lo más relevante serán las propiedades del sólido. En el secado de un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos:
Transmisión del calor para evaporar el líquido.
Transferencia de masa en humedad interna y líquido
evaporado. Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual puede ser por conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de 13
estos, el calor tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido.
4.3. Curvas de secado El comportamiento de los sólidos en el secado es medido como la perdida de humedad en función del tiempo.
Curva contenido de humedad: Este tipo de curva muestra el contenido de humedad a través del tiempo en el proceso de secado. En la figura N°9 se observa un cambio de humedad en el tramo A-B, una vez terminado este tramo la velocidad de secado es constante y es representado por el tramo B-C. El secado se mantiene igual hasta que llega al punto C, en donde la recta se curva y luego en el punto D ésta forma una asíntota con el contenido de humedad (Xeq), donde Xeq es el valor mínimo de humedad en el proceso de secado, es decir que el punto E nunca es tocado.
Figura 9.Cambio del contenido de humedad en el tiempo (Dávila, J, 2004)
14
Curva de velocidad de secado: Esta curva indica la velocidad con que se seca el material. En la figura 10 , se aprecia que en el eje de las ordenadas la función W d= f(x), la cual representa la cantidad de humedad removida desde el material secado por unidad de tiempo por unidad de superficie secada, mientras que en el eje de abscisas se denota el contenido de humedad en el material , X. (Dávila, J, 2004)
Figura 10. Curva de velocidad de secado (Dávila, J, 2004)
Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación no es significativa por su intensidad ni por su cantidad. Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del 15
material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido tiene un comportamiento no higroscópico Etapa C-D: Es el segundo período de secado o período de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente. Etapa D-E: En esta etapa la evaporación ocurre desde el interior del sólido y ocurre hasta que no existe secado adicional.
4.4. Secado de concentrado Conceptualmente, el secado térmico de un concentrado de cobre no es una operación pirometalúrgica propiamente tal, debido a que no se persigue una transformación química del concentrado, ya que corresponde a una deshumidificación de éste, que puede ser parcial o total ( Gabriel Riveros, 2007) La elección de un secador dependerá de los siguientes factores: 1. Propiedades del concentrado: •
Características físicas en húmedo y en seco
• Toxicidad. • Inflamabilidad. •
Tamaño de partícula.
• Abrasividad.
2. Características de secado del material: •
Tipo de humedad.
•
Contenido inicial y final de humedad.
•
Temperatura permisible de secado. 16
•
Tiempo probable de secado.
3. Circulación del material que entra y sale del secador: •
Cantidad a tratar por hora.
•
Tipos de operación, continua o discontinua.
•
Procesos anteriores y posteriores.
4. Cualidades del producto: • Contaminación. •
Temperatura del concentrado.
• Densidad.
5. Recuperación de concentrado 6. Características físicas •
Espacio y combustible disponible.
•
Condiciones ambientales.
Según su clasificación, calentamiento directo o indirecto, podemos encontrar distintos tipos de secadores, entre los cuales destacan los secadores rotatorios:
4.5. Secadores Rotatorios Los secadores rotatorios consisten en estructuras cilíndricas ligeramente inclinadas y sostenidas por dos anillos de rodadura que funcionan sobre mecanismos de rodillos. Este secador se usa generalmente para producción de alto tonelaje por su capacidad de manejar productos de considerable variación en tamaño y composición. Se emplea en secar una amplia gama de materiales granulares. 17
4.5.1. Tipos de Secadores Rotatorios
Calor Directo: Estos tipos de secadores se utilizan para tratar materiales en formas granulares, comprimidas o de extrusión, que no sean sensibles al calor y tampoco sean afectados por el contacto directo con gases de combustión. Los materiales pueden ser secados en co-corriente o contra la corriente del gas caliente. Los secadores de flujo paralelo son ideales para el secado rápido, eficiente y a baja temperatura de materiales que son más sensibles a las altas temperaturas, baja densidad, pegajosos y no adquieren fluidez fácilmente. Ver figura 11.
Figura 11. Secador rotario a calor directo (Riveros, G. 2009)
Calor Indirecto: Este tipo de secador es aplicable a materiales que son sensibles al calor y también son afectados por el contacto directo con gases de combustión. En este equipo, el material entra en contacto sólo con la superficie 18
caliente del cilindro, que es calentada externamente con gases de combustión. El material húmedo se introduce en el cilindro rotatorio, insertado en una cámara estacionaria. Los gases de combustión calientes pasan a través del espacio anular. La transferencia de calor se realiza principalmente por conducción. Ver figura 12.
Figura 12. Secador rotatorio calor indirecto (Riveros, G. 2009).
Los secadores rotatorios se dividen en dos tipos, conforme a las direcciones de la corriente de material a ser secado y de los gases de secado. La elección entre un secador rotatorio de co-corriente o uno de contra-corriente se efectúa de conformidad con las propiedades del material a ser secado:
Grado de secado
Calor específico
Capacidad de evaporación de humedad 19
Inflamabilidad
Propiedades de sinterización
4.5.2. Flujo a Contracorriente
En este caso se produce el ingreso de los gases calientes en sentido opuesto a alimentación del material a secar, ver figura 13, por lo tanto esto produce que el choque térmico sea mayor, debido a la gran cantidad de energía de los gases calientes en la entrada. Esto genera que el secado del material se realice en un menor tiempo, de esta manera es posible garantizar que se aprovecha al máximo la transferencia de calor del gas a lo largo de toda la estructura del cilindro.
20
Este tipo de secado presenta ciertas desventajas; calentamiento excesivo al inicio, pudiendo dañar el material o causar combustión si fuese el caso de materiales inflamables como el carbón. Además, en la entrada del material existe calor mínimo, por esta razón se requiere una mayor cantidad de precalentamiento para garantizar mayor y pronta transferencia de calor en el secado. En este sistema el aire que transporta la humedad eliminada del material puede llegar a saturarse en la
Figura 13. Flujo contracorriente. (Guamán, P. 2007) zona intermedia del cilindro
con el material que está ingresando todavía
húmedo y frío, esto puede provocar condensaciones dentro del cilindro, lo que causaría que la eficiencia del secador sea menor a la óptima. Es posible corregir estos defectos aumentando la temperatura a la cual se trabaja, generando un mayor consumo de energía; y por ende de costo. O en su defecto disminuir la carga en el secador, aumentando también la velocidad de salida de los gases. Otra forma de remediar este inconveniente; es la colocación de los gases calientes en el mismo sentido de entrada del material; es decir en flujo cocorriente, en donde la carga húmeda se encuentra con el gas caliente y libre de humedad, logrando evitar la condensación debido a que los gradientes de temperatura son bajos.
4.5.3. Flujo en Co-corriente
21
El flujo de entrada de los gases calientes con respecto al del avance de material es en el mismo sentido, ver figura 14, gracias a este efecto es posible reducir el contenido de humedad de una manera controlada, ya que se pueden regular los gases calientes de entrada con respecto al material, de tal forma que los gases de salida y el material se encuentren ya determinados al momento de descarga del material
Figura 14. Flujo Co-corriente ( Guamán, P. 2007) Los secadores de flujo Co-corriente son ideales para el secado rápido, eficiente y a baja temperatura de materiales que son más sensibles a las altas temperaturas, baja densidad, pegajosos y no adquieren fluidez fácilmente. La transferencia de calor se efectúa predominantemente por convección.
4.6. Transmisión de calor Si una extremidad de un cuerpo recibe calor, después de cierto tiempo este calor se ha desplazado por todo el cuerpo. Esto se produce debido a que las moléculas sufren agitación térmica cuando se calientan y esta agitación se va a propagar a las moléculas vecinas. Esta propagación puede ser de 3 formas distintas:
4.6.1. Conducción 22
El calor se transmite por conducción cuando éste se comunica a través del mismo cuerpo, si un punto de éste se pone en contacto con otro de mayor temperatura. Conducción es la transferencia de calor desde un punto de un material hacia otro punto del mismo material o hacia un material contiguo. Cuando una parte de un material es calentada la vibración molecular en ese punto aumenta, esta vibración es transmitida a las moléculas adyacentes y estas a su vez lo transmiten a otras moléculas estableciéndose un flujo de calor desde el punto más caliente hasta las zonas más frías. Las sustancias difieren gradualmente en su habilidad para conducir el calor. Los gases y los vapores son considerados pobres conductores, los líquidos son mucho mejores y los metales son los mejores conductores. La habilidad de conducción del calor es conocida como conductividad térmica, K, y es medida en [W∙m∙K]
4.6.2. Convección Al calentar un fluido su densidad disminuye, entonces si una parte de la masa de un fluido es calentada, la parte más fría y más pesada tiende a desplazar la parte más caliente, entonces la porción que estaba fría se calienta y a su vez es desplazada. El resultado es un flujo continuo de fluido frio hacia el área caliente y de fluido caliente aleándose de dicha área estableciéndose una corriente por convección. El movimiento del fluido caliente se convierte en un medio de transferencia de calor. La convección natural o libre, es causada solamente por las diferencias de densidad, que provienen del diferencial de temperatura. La convección forzada, es causada por medio de fuerza mecánica, aplicada para impartir movimiento al fluido.
4.6.3. Radiación 23
Se llama transmisión de calor por radiación cuando el calor se comunica sin necesidad de un conductor material que conduzca o transporte el calor, esta se propaga por ondas electromagnéticas, como las ondas de la luz. Un cuerpo expuesto a radiación solo se ve afectado por el lado expuesto a esta, mientras que el sector opuesto se ve afectado mínimamente.
4.7. Vapor
El vapor es usado en la industria por lo conveniente y económico para el transporte de energía y calor. La energía del combustible es traspasada por el proceso de combustión al agua, vaporizándola. El vapor producido es llevado a los puntos de consumo para utilizar, ya sea, su fuerza, cantidad de calor y/o temperatura. El proceso de vaporización, es decir, el paso del agua desde su fase líquida a su fase de vapor se puede efectuar por evaporación y ebullición. La evaporación es el proceso por el cual el agua pasa al estado de vapor a temperatura ambiente, este fenómeno se desarrolla sólo en la superficie libre del líquido, siendo más lento que la ebullición, la evaporación se produce a temperaturas más bajas que la ebullición y a diferencia de esta última, se produce sin turbulencia visible de su masa. Toda evaporación produce un enfriamiento del líquido, es por esto que una vez iniciado el proceso, es necesario que siga recibiendo calor para compensar dicha perdida de calor. El agua se evapora lentamente en el aire, mientras que otros líquidos lo hacen rápidamente, éstos son los llamados volátiles (alcohol, éter, bencina, etc). Otros no se evaporan o lo hacen con mucha dificultad, estos son los denominados fijos (aceites). A mayor temperatura el proceso de evaporación aumenta.
24
La ebullición es el proceso por el cual el agua pasa del estado o fase líquida al de vapor mediante la adición de calor, este proceso tiene lugar en toda la masa de manera rápida y turbulenta en formas de burbujas que la agitan. Este fenómeno se efectúa a una determinada temperatura la cual es característica para cada líquido, en el caso particular del agua la ebullición tiene lugar a los 100 °C de temperatura, siempre y cuando esto ocurra a nivel del mar, y en un depósito abierto a la atmósfera. Cuando el agua entra en el proceso de ebullición, su temperatura se mantiene constante y no aumenta por ningún motivo al aumentar la fuente de calor. Esto último solo consigue una ebullición más violenta y/o turbulenta de la masa.
4.7.1. Conceptos fundamentales
Entalpía del líquido: El calentamiento del agua hasta alcanzar una temperatura determinada a una presión dada, causará que esta entre en ebullición, y de esta forma el vapor sea liberado. El calor requerido para llevar el agua desde 0 °C, que es la temperatura o punto base para el estudio de las propiedades del agua y del vapor, hasta el punto de ebullición, es lo que se conoce como entalpía del líquido saturado.
Saturación: Cuando el agua se encuentra en ebullición, tanto el agua como el vapor libreado tienen una misma temperatura que se llama temperatura de saturación. Para cada presión a la que ebulle el agua existe solamente una
25
temperatura de saturación y viceversa. El calor agregado durante la ebullición es utilizado para pasar el agua de su estado líquido a vapor.
Condensación del vapor de agua: Al eliminar el calor al agua que se encuentra en ebullición, el vapor se enfría, se condensa y vuelve a su estado líquido primitivo. El calor desprendido por el vapor de agua al condensarse tiene una importante aplicación en los procesos de calefacción, esto debido a que el agua posee uno de los calores específicos más elevados y a su vez uno de los calores de condensación más elevados, este último se refiere al calor que entrega al condensarse.
4.7.2. Factores que influyen en el punto de ebullición.
Presión exterior: Si se hierve un líquido en un recipiente ubicado en el interior de una campana de vacío, se puede observar que al bajar gradualmente la presión, desciende su punto de ebullición, lo contrario sucede al aumentar la presión.
Profundidad del líquido: La presión hidrostática se suma a la presión atmosférica retardando la ebullición, es decir, elevando su punto de ebullición.
Gases disueltos en el líquido: El aire o cualquier otro gas disuelto un líquido acelera el proceso de ebullición, por lo cual, a mayor cantidad de gas disuelto, menor es el punto de ebullición del líquido. 26
Sales en disolución: La presencia de sales en el líquido retarda el proceso, es decir, aumentan el punto de ebullición del líquido. De lo anterior se puede concluir que el punto de ebullición de un líquido puro y de poca profundidad, sólo depende de su naturaleza y de la presión que soporta su superficie libre.
4.8. METSIM METSIM es un software de modelación y simulación de procesos metalúrgicos, que permite realizar balances de masa y energía. METSIM utiliza una variedad de modelos metalúrgicos, los cuales han sido extraídos de la literatura o de publicaciones técnicamente probadas. Debido a las características del software, es necesario entender la lógica de funcionamiento del programa por la manera que tiene de construir el flowsheet y por la forma que éste procesa los datos y realiza los cálculos. El lenguaje de programación se denomina APL (A Programming Language) lenguaje de alto nivel, el cual permite desarrollar bastas operaciones matemáticas con pequeñas líneas de código, en comparación con otros lenguajes como el lenguaje C o Visual Basic . METSIM permite realizar modificaciones y actualizaciones en sus modelos, y presenta como punto fuerte una muy completa base de datos termodinámicos para los más comunes compuestos que se tratan en las plantas metalúrgicas, además de ofrecer la posibilidad de crear interfaces con otros programas como Microsoft Excel.
Los principales usos de METSIM son: •
Estudios de pre-factibilidad
•
Evaluaciones de alternativas de configuración de procesos.
•
Evaluación de los datos experimentales y laboratorio. 27
•
Cálculos y diseño de equipos.
•
Modelamiento de operaciones existentes.
•
Estudios de optimización de procesos.
4.8.1. Estructura del Software El software METSIM, está estructurado en base a una serie de objetos o módulos que representan a una determinada operación unitaria. Estos están agrupados en áreas las cuales permiten crear secciones nuevas desde el área genérica y diversas operaciones unitarias en áreas como: Minería, manejo de materiales, conminución, hidrometalurgia, pirometalurgía y manejo de gases entre otras. Para simular con METSIM se requiere definir sólo las corrientes de entrada al proceso y para definir los parámetros de operación de los equipos, se pueden utilizar datos reales obtenidos de planta o de pruebas de laboratorio. Los datos de entrada requeridos para solucionar las ecuaciones de cada módulo son ingresados al programa y almacenados como variables globales, las cuales pueden ser modificadas cuando se requiera Las secciones y módulos de operación unitaria son los primeros componentes que se deben agregar o construir en el desarrollo de un modelo. Cada módulo es un modelo matemático completo de una operación unitaria particular y cada sección puede considerarse como un proceso separado. El sistema utiliza las ecuaciones requeridas por cada modelo o conjunto de modelos, pudiendo realizar cálculos por operación unitaria, para un conjunto de operaciones unitarias, o bien para el global del sistema.
28
Se debe seleccionar el modelo adecuado de operación unitaria para cada operación que aparezca en el flowsheet . El criterio de selección se basa en los requerimientos del análisis, sea éste de carácter general o detallado. Por ejemplo, un módulo simple del área genérica como un mezclador, podría ser un sustituto aceptable de un molino en un flowsheet (diagrama de flujos) si el propósito de éste es sólo realizar un balance de materiales, sin embargo, cuando se requiere realizar un análisis de tamaño de partícula, es recomendable utilizar el módulo correspondiente a esa operación unitaria. Cada módulo creado es numerado por el programa, lo cual tiene gran importancia debido a que éste será el orden utilizado por el software para calcular el modelo; no obstante, éste puede ser modificado acorde a los requerimientos del operador. Luego, deben agregarse las corrientes de entrada y salida para cada operación unitaria, las cuales también son numeradas por el software, el cual permite reenumerarlas a voluntad como manera de asociar una cierta numeración con una sección en particular en caso de ser un modelo de múltiples secciones. Cabe la posibilidad además de la necesidad de agregar nuevas operaciones unitarias dentro del flowsheet ya estructurado, lo cual no es una problemática debido a la flexibilidad del programa para reordenar dichas operaciones unitarias. Deben editarse las operaciones unitarias y agregar los parámetros de separación y/o la química correspondiente a dicha operación unitaria, teniendo en consideración que dicho módulo resuelve tanto las ecuaciones como los parámetros de operación desde la primera a la última de la lista, pudiendo reordenarse acorde al proceso en ejecución.
29
Posteriormente se deben editar las corrientes para agregar nombres, flujos, composición y finalmente correr el modelo. Es importante realizar una verificación de los resultados obtenidos y del proceso. Independientemente de la etapa de la ingeniería a desarrollar, se debe hacer una buena planificación del modelo a construir como una manera de tener una pauta flexible pero bien conceptuada para llegar a buen término de la simulación.
4.8.2. Planificación de un modelo METSIM. Para la construcción de un modelo MESTSIM, son necesarios los siguientes pasos. 1. Reunir toda la información disponible antes de empezar la modelación. 2. Dibujar el flowsheet del proceso con todas las operaciones unitarias y corrientes presentes. 3. Hacer una lista con todas las fases presentes y los componentes involucrados en cada fase y las reacciones químicas que ocurren durante las distintas etapas del proceso. 4. Ejecutar METSIM y definir las condiciones iniciales como: Título del proyecto, opciones de cálculos principales y unidades de masa y tiempo. 5. Seleccionar todos los componentes desde la base de datos. 6. Construir el flowsheet ingresando todas las operaciones unitarias y corrientes involucradas, sección por sección. 7. Agregar datos que sean necesarios a las operaciones unitarias como por ejemplo: parámetros de separación, química del sistema, datos para el balance de calor entre otros según se requiera. 30
8. Ingresar el nombre de las corrientes, sus flujos de entrada y composición. 9. Calcular el flowsheet y chequear los resultados verificando las entradas de datos y los procesos. 10.
Agregar controladores de proceso para ajustar parámetros y
satisfacer criterios de diseño. 11.
Agregar funciones matemáticas o algoritmos detallados, corrientes
menores y/o impurezas cuando sea necesario. 12.
Calcular el modelo completo y generar los reportes necesarios.
4.9. Combustión Combustión es el conjunto de procesos 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. Dicha llama 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 hidrógeno (H) mediante oxígeno que puede aportarse de forma pura (oxi-combustión) o mediante el aporte de aire que lo contiene en una proporción media del 21%. Estas reacciones son:
Pero estos dos componentes químicos no se encuentran habitualmente en estado puro para actuar como combustibles (salvo el carbono en el carbón de 31
origen fósil). Los combustibles tienen una composición general que se puede expresar como
y cuya reacción de combustión es: ()
La combustión no es realmente una única reacción química, sino que se pueden distinguir tres fases en la reacción de combustión.
Fase de pre-reacción (formación de radicales).
El combustible se descompone dando lugar a la formación de radicales, que son unos compuestos intermedios inestables y muy activos, para que, de este modo, el carbono y el hidrógeno pueda reaccionar con el oxígeno. Estos radicales son del tipo H +, CO-, CH3+ (en el caso del metano), OH -, O-.
Fase de oxidación.
En esta fase se produce la combinación entre radicales y el oxígeno de un modo exotérmico. Es cuando tiene lugar la propagación de la llama.
Fase de terminación.
En esta fase se forman los compuestos estables finales. El conjunto de estos compuestos es lo que se denominan “gases de combustión”.
4.9.1. Definición de combustible y su clasificación. 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 forma utilizable (por ser una reacción química, se conoce como energía química). En general, se trata de sustancias susceptibles de quemarse. De acuerdo con su estado de agregación, los combustibles se clasifican en: 32
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 mantiene una forma y volumen definidos.
Combustibles líquidos.
Son aquellas substancias en las que las fuerzas resultantes de los movimientos moleculares son lo suficientemente elevados frente a las fuerzas de atracción para permitir el movimiento de las moléculas entre sí, permitiéndole fluir y adaptarse a la forma del recipiente que las 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 muy superiores a las fuerzas de atracción entre moléculas. Por ello, las moléculas de los gases se distancian entre sí ocupando todo el espacio disponible. Si no se contienen en un espacio cerrado, se difunden en la atmósfera. Su característica fundamental es que tienen forma y volumen variables y ejercen presión sobre las paredes del recipiente que las contiene. Al contrario de los sólidos y los líquidos, los gases son compresibles, por lo que siempre que se indique un volumen deberá precisarse la presión y la temperatura a las que se ha medido.
4.9.2. Propiedades generales de los combustibles.
4.9.2.1. Poder calorífico de un combustible.
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El poder calorífico de un combustible es una característica física del mismo y se define como: “La cantidad de calorías que produce un combustible durante la combustión completa de un kilogramo del mismo”. Es decir cuando el
carbono pasa de anhídrido a carbónico, como se muestra en la siguiente reacción:
Sus unidades de media son [kcal/kg], [kcal/m3], [BTU/lb], [BTU/pie3]. Se pueden distinguir dos tipos de poderes caloríficos para cada combustible:
Poder calorífico superior.
Éste comprende todo el calor producido, incluyendo el requerido para vaporizar la humedad que contiene el mismo.
Poder calorífico inferior.
No considera las calorías consumidas para vaporizar la humedad que contiene el combustible, por consiguiente este valor es el que nos da las calorías que realmente son aprovechadas en un proceso térmico. A continuación se indican los poderes caloríficos aproximados de distintos combustibles.
Tabla 1. Distintos poderes caloríficos de combustibles (Elaboración propia). Combustible
Estado físico
Poder calorífico [kcal/kg]
Antracita
Sólido
8.200
Leña
Sólido
4.500
Hulla
Sólido
8.500
34
Coque
Sólido
7.200
Metano
Gaseoso
13.000
Silicio
Sólido
7.800
Fósforo
Sólido
5.750
Hidrógeno
Gaseoso
34.500
Fuel Oil
Líquido
9.600
Conocida la composición química de un combustible resulta posible el cálculo de su poder calorífico, empleando la expresión determinada por Dulong:
( )
Donde: %C: porcentaje en peso de Carbono. %H: porcentaje en peso de Hidrógeno. %O: porcentaje en peso de Oxígeno. %S: porcentaje en peso de Azufre. Los valores que se obtienen mediante el uso de la expresión de Dulong son aproximados.
4.9.3. Fuel Oil 6 El Fuel Oil N° 6, también conocido como FO6 o combustóleo, es un combustible elaborado a partir de productos residuales que se obtienen de los procesos de refinación del petróleo. Se utiliza principalmente en procesos de combustión para la generación de calor. A continuación se presenta algunas propiedades del Fuel Oil 6. 35
Tabla 2. Propiedades del FO6. (Elaboración propia) Propiedad
Unidad
Valor
Poder calorífico inferior
[kcal/kg]
9.795,57
Poder calorífico superior
[kcal/kg]
10.371,56
Densidad
[kg/l]
0,98
Viscosidad cinemática a 50° C
cSt
560
Vanadio
ppm
148
Níquel
ppm
53
Sodio
ppm
16
Hierro
ppm
46
Potasio
ppm
0
Tabla 3. Composición química del FO6 (Elaboración propia) Elemento
%
Carbono (C)
85
Oxígeno (O2)
2,5
Hidrógeno (H)
11
Nitrógeno (N2)
0,5
Azufre (S)
1
Cenizas
0,04
4.10.
Descripciones de calderas 4.10.1.
Calderas.
Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella. En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, el cual se vaporiza. 36
El principal objetivo de una caldera es realizar la transferencia con la mayor eficiencia posible, esta puede definirse de manera sencilla como la porción de calor liberado en el horno que es absorbido por los fluidos en los elementos de la caldera. Para la selección de una caldera se deben considerar los siguientes parámetros:
Cantidad de vapor requerido.
Presión, temperatura y calidad del vapor requerido.
Diseño de quemadores.
Calidad de agua de alimentación.
Variación prevista de la carga.
Tipos de combustibles utilizados.
Los factores mencionados anteriormente afectan la eficiencia de la caldera e inciden directamente en el estado de las superficies de transferencia térmica, afectando específicamente a los tubos de las calderas lo que conlleva a una disminución en la eficiencia de las calderas, siendo los factores más relevantes:
Calidad del agua El utilizar agua de baja calidad, es decir, con una gran cantidad de impurezas, provocará que dichas impurezas tiendan a depositarse o a formar incrustaciones en las paredes interiores de los tubos de la caldera, afectando la eficiencia de las calderas.
37
Tipo, calidad y condición de combustión del combustible La parte exterior de los tubos y otras zonas de la caldera son afectadas por depósitos que ensucian o se incrustan en las paredes exteriores. La naturaleza de estos depósitos depende del tipo, calidad y condiciones de combustión del combustible utilizado;
Tipo de combustible:
Combustible pulverizado(carbón)
Gas natural
FO6
Calidad del combustible
Contenido de azufre y cloruros en el carbón.
Contenido de cenizas y temperatura de fusión en ellas.
Contenido de vanadio, sodio y azufre en el FO6.
Condiciones de combustión
Exceso de aire.
Longitud de llama.
Turbulencia del aire – combustible a la salida del quemador.
Temperatura.
Distribución del aire.
Tipo de paredes.
Turbulencia en la caldera.
Diseño
Localización, tipo y espacio entre los elementos del supercalentador, calentador y economizador. 38
Altura del hogar y temperatura de salida de los gases.
4.10.2.
Partes de una caldera.
Tambor de vapor : En este lugar ocurre la separación del agua y el vapor, la separación se lleva a cabo en un separador mecánico o en un separador ciclónico. La mezcla de vapor y de agua procedente del haz ascendente se dirige al separador ciclónico por medio de una placa deflectora. La fuerza centrífuga en el ciclón separa las gotas de agua, y el vapor sale del ciclón y pasa a través de más separadores hasta que se tiene vapor relativamente seco para uso en las unidades de proceso.
Caja de secado: Es un sector interno en donde se colecta el vapor seco y distribuirlo hacia los tubos de salida hacia el supercalentador.
Tambor de lodos: Aquí ocurre la extracción de la purga, la purga es el líquido que se extrae de la caldera para mantener una baja la concentración de sólidos en el agua de la caldera. Existen dos corrientes de purga, una es una purga continua de una cantidad fija de agua, en cambio la otra es intermitente, esta última se ajusta para mantener el agua de calderas dentro de la especificación de sólidos disueltos estipulados.
Ventiladores: En las calderas de tiro forzado suministran el aire necesario para que combustión se lleve a cabo y en las calderas de tiro inducido se 39
encargan de sacar los gases desde el hogar hacia la chimenea. Los ventiladores deben tener una capacidad en un 15% al flujo a máxima carga para suplir las perdidas por disminución de calidad, desgaste por el tiempo o ensuciamiento de la caldera.
Precalentador de aire: Es donde ocurre el intercambio con vapor de baja presión el cual se condensa y retorna al sistema como agua de alimentación. La temperatura normal del aire entrando al calentador de aire debe estar entre 60 °C y 80 °C.
Calentador de aire: En este lugar se aumenta la temperatura del aire que será utilizado en la combustión, esto se realiza intercambiando la temperatura con los gases que vienen de la combustión.
Economizador : Es la parte de la caldera en la cual mediante intercambio de temperatura entre los gases de combustión y el agua de caldera se le baja la temperatura a los gases de combustión y se le incrementa al agua de caldera para así economizar combustible en el proceso de producción de vapor y a su vez minimizar el impacto ambiental, evitando el aumento de la temperatura del medio ambiente. El economizador puede estar situado dentro de la caldera, como parte de la zona de convección, o puede ser externo donde por razones de espacio no se puede aplicar el arreglo anterior.
Caja de aire: Es la parte por donde se conduce el aire que va del ventilador hacia los quemadores. 40
Hogar de la caldera: Está constituido por una serie de tubos los cuales conforman lo que se conoce como paredes de agua, estas le dan la forma y encierran la zona radiante de la caldera, pues allí el calor es transmitido principalmente por radiación. Según la colocación de los quemadores el hogar de la caldera puede ser:
Paralelo: Cuando los quemadores están situados solo al frente, o al frente y detrás del hogar de la caldera.
Turbulento: Cuando los quemadores están ubicados en las esquinas e inyectan el combustible en forma tangencial. Este tipo de hornos es ideal para la quema de carbón, debido a que ofrece una mayor turbulencia y una mejor mezcla aire/combustible.
El hogar de la caldera debe cumplir básicamente con los siguientes requisitos:
Deben tener la capacidad para admitir el volumen de aire necesario para la combustión.
Deben tener la suficiente altura para asegurar la circulación adecuada de agua por los tubos.
Deben tener la dimensión suficiente para evitar que la llama ataque las paredes de los tubos.
Debe tener la forma y dimensiones adecuadas para asegurar que los gases ocupen por completo el hogar de la caldera proporcionando absorción térmica óptima en todas las partes.
La tubería del hogar debe tener la mayor longitud posible para así minimizar las soldaduras.
41
Quemadores: son los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el combustible para ser mezclado con el aire y así obtener una buena combustión. Estos deben producir una llama estable y uniforme de manera que se realiza una cierta distribución en el hogar. Los quemadores de gas poseen perforaciones y por sus orificios el gas sale a una velocidad mayor que la del aire para asegurar una penetración integra del chorro de aire. En los quemadores de aceite, este debe ser atomizado para aumentar la superficie de contacto con el aire. La atomización se realiza generalmente con vapor pero también se puede utilizar aire. Aunque el vapor produce una muy buena atomización, presenta como desventaja que causa un mayor contenido de agua en los gases de combustión y disminuye el punto de roció de los gases, además representa consumo de vapor que no se recupera.
Deshollinador : La mayoría de las calderas están equipadas con sopladores de hollín, los cuales sirven para mantener la superficie exterior de los tubos limpia y libre de material que pudiera afectar la transferencia de calor. Se utiliza vapor para el soplado del hollín y la frecuencia de la operación depende del combustible usado. Existen dos tipos de sopladores de hollín; sopladores fijos o estacionarios y sopladores retráctiles.
Tubos Descendentes: Son los tubos que bajan el más densa del tambor de vapor al tambor de lodos.
Tubos Ascendentes: Son los tubos por donde sube el agua que ha perdido densidad y va al tambor de vapor.
42
Supercalentador: Es un equipo que ofrece una superficie de absorción de calor por medio de la cual se eleva la temperatura del vapor encima de su punto de saturación. Entre las principales razones para realizar este trabajo tenemos:
Se aumenta la eficiencia total de la unidad.
Se aumenta la ganancia termodinámica del vapor.
Se obtiene un vapor más seco.
Chimenea: Conducto por donde salen los gases de combustión. Desaireador : Normalmente, el agua de alimentación de la caldera contiene dos gases peligrosos disueltos; oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2). Estos gases se deben eliminar antes de ingresar a la caldera, de lo contrario se liberan a través del calor y pueden provocar corrosión en la caldera, tuberías de vapor, tuberías de condensado y en los equipos de transferencia de calor. La eliminación mecánica del oxígeno y del dióxido de carbono se realizan en el desaireador, el cual es un equipo diseñado para calentar el agua hasta la temperatura de vapor saturado y así reducir los gases mencionados anteriormente.
4.10.3.
Tipos de calderas
Las calderas se clasifican principalmente en; calderas acuotubulares y pirotubulares:
4.10.3.1. Calderas pirotubulares. Son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de formas cilíndricas o semicilíndricas, atravesados por grupos de tubos. 43
Sus dimensiones pueden alcanzar los 4,5 m de diámetro y 10 m de largo. Se construyen para capacidades máximas de 20000 Kg /h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 2,2 [MPa]. Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de calderas de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm sobre los tubos superiores (Vasquez M, 2006).
En las calderas pirotubulares, los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos, ver figura N°15.
Figura 15. Ejemplo funcionamiento caldera pirotubular.(Elaboración propia)
A continuación se enumeran las ventajas y desventajas de la utilización de este tipo de calderas:
Ventajas: Menor costo inicial, debido a la simplicidad de diseño en
comparación con las acuotubulares de igual capacidad. 44
Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda del vapor.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, porque las incrustaciones formadas en el interior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas.
Facilidad de inspección, reparación y limpieza.
Desventajas:
Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad.
Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
Gran peligro en caso de explosión o ruptura, debido al gran volumen de agua almacenado.
No son empleadas para altas presiones.
4.10.3.2. Calderas acuotubulares. En las calderas acuotubulares, el agua circula por dentro de tubos, en vez de alrededor de ellos, como es en el caso de las calderas pirotubulares, pasando los gases calientes alrededor de los tubos, ver figura 16. Las calderas acuotubulares son empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento. Se construyen para capacidades mayores a 5 kg/h de vapor con valores máximos en la actualidad de 2000 ton/h. Permiten obtener valores de temperaturas del orden de 500 ° C y presiones de 2.2 [MPa] o más. Las ventajas y desventajas de este tipo de calderas, en comparación con las calderas pirotubulares, son: 45
Ventajas:
Tienen un menor peso por unidad de potencia generada. El volumen de agua es inferior en relación a su capacidad de evaporación, por lo que puede ser puesta en marcha rápidamente.
Mayor seguridad para trabajar a altas presiones.
Mayor eficiencia.
Desventajas
El costo de adquisición es mayor.
Deben ser alimentadas son agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el interior de sus tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos.
Figura 16. Ejemplo funcionamiento caldera acuotubular.(Elaboración Propia)
4.11.
Tratamiento de agua
En el proceso de generación de vapor, la calidad del agua de alimentación es de suma importancia, debido a que esta afecta directamente en la vida útil, rendimiento y seguridad en la operación de las calderas industriales. 46
Es por esta razón que el agua de alimentación debe recibir un tratamiento previo a su ingreso a las calderas, es aquí donde se reduce el contenido de impurezas presentes en el agua, según la concentración de elementos disueltos y elementos en suspensión nos podemos encontrar con diferentes tipos de aguas:
4.11.1.
Aguas Duras
Este tipo de aguas se denomina así debido a su presencia de compuestos de calcio y magnesio, compuestos poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones.
4.11.2.
Aguas Blandas
Su composición principal está dada por sales minerales de gran solubilidad.
4.11.3.
Aguas Neutras
Se componen principalmente por una alta concentración de sulfatos y cloruros los que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, es decir, que no alteran sensiblemente el valor de pH.
4.11.4.
Aguas Alcalinas
Este tipo de agua está conformado por las aguas que contienen importantes cantidades de carbonatos, bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente.
El agua de alimentación de las calderas debe ser tratada, con el objeto de prevenir los problemas causados por las impurezas, utilizándose alguno de los siguientes procedimientos: Físicos
47
Químicos Térmicos
Mixtos
Eléctricos
4.11.5.
Tratamientos físicos.
Filtración: Su objetivo es extraer partículas grandes en suspensión presentes en el agua. Se realiza antes que el agua llegue a la caldera (exterior).Los filtros pueden ser de mallas de grava y arena.
Desaireación: También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases disueltos (oxígeno, anhídrido carbónico). La desaireación se consigue calentando el agua de alimentación, proporcionando una gran área de contacto agua-aire.
Purgas: Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo).
La cantidad de purgas requeridas por la caldera se determina mediante la medición de los cloruros presentes en el agua de alimentación y el agua de la caldera, lo que se determina como ciclo de concentración.
48
Básicamente, las purgas que se realizan en las calderas son dos; purgas de fondo o
discontinuas y purgas de superficie o continuas.
4.11.5.1. Purga de fondo. Esta purga, como su nombre lo indica, se encuentra en el fondo de la caldera y tiene por objetivo eliminar las sustancias que se precipitan en el fondo de la caldera, normalmente en forma de lodos. La purga de fondo se realiza manualmente y es necesaria para el funcionamiento de la caldera pese a si se usa o no la purga continua.
4.11.5.2. Purga de superficie. La purga de superficie o automática está compuesta por un sensor de conductividad, una válvula con actuador y un controlador. El sensor de conductividad mide la conductividad del agua de la caldera (sólidos disueltos) y envía esta información al controlador. El controlador compara esta medición con el valor de conductividad máxima programado, para luego abrir o cerrar la válvula de purga según sean los resultados de dicha comparación.
4.11.6.
Tratamientos químicos.
Consiste en suministrar internamente sustancias químicas que reaccionan con las impurezas del agua, precipitando sólidos insolubles o en suspensión, eliminables mediante purgas. Según el objetivo que persiguen, las sustancias se clasifican en:
4.11.6.1. Reductoras de dureza o ablandadoras.
Hidróxido de sodio o soda cáustica (NaOH): Precipita las sales de magnesio, aumenta la alcalinidad.
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Carbonato de sodio o soda comercial (Na2CO3): Precipita las sales de calcio, aumenta la acidez y tiene un bajo costo.
Hidróxido de calcio o cal (Ca(OH)2): Precipita las sales de calcioy magnesio.
Fosfatos de Sodio (Na2HPO4): Precipita sales de calcio. Debe mantenerse en exceso.
Intercambio de Iones: Se utilizan ablandadores naturales o sintéticos (zeolitas o permutitas).
4.11.6.2. Inhibidores de corrosión:
Sulfito de Sodio (NaSO3): Reacciona con el oxígeno produciendo sulfatos de sodio. Se utiliza para calderas de presiones menores a 30 [kg/cm2].
Hidracina (N2H4): Reacciona con el oxígeno produciendo nitrógeno y agua sin producir sólidos disueltos. Apta para calderas de alta presión.
Aminas: Utilizadas para el control de la corrosión en tuberías de retorno de condensado (corrosión por anhídrido carbónico).
4.11.6.3. Inhibidores de fragilidad caustica:
Nitratos y nitritos de sodio (NaNO3 - NaNO2): Debe usarse donde el agua tiene características de fragilidad.
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4.11.6.4. Inhibidores de adherencias por lodos:
Agentes orgánicos: Principalmente taninos, almidones y derivados de aguas marinas. Su principal función es evitar la formación de lodos adherentes y minimizar el arrastre.
4.11.7.
Tratamientos térmicos:
Mediante el calentamiento del agua hasta su temperatura de ebullición, se precipitan todos los bicarbonatos en forma de carbonatos insolubles que decantan y se extraen del fondo del economizador, eliminando de esta manera la dureza temporal y los gases disueltos. Este procedimiento no separa la dureza permanente.
4.11.8.
Tratamientos mixtos:
Consiste en emplear algunos desincrustantes químicos y a su vez calentar el agua eliminando ambas durezas.
4.11.9.
Tratamientos eléctricos:
Por este sistema basado en la electrólisis del agua, el zinc en planchas que se apernan a tubos de chapas, defiende las planchas de hierro de la acción de las sales incrustantes.
4.12.
Problemas generados al interior de las calderas generadoras de vapor.
Los principales problemas que pueden ocurrir en la operación de las calderas de vapor son generados por los siguientes procesos:
4.12.1.
Incrustaciones.
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Las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente sobre la superficie de calefacción por cristalización de las sales en disolución saturados presentes en el agua de la caldera. Las incrustaciones son peligrosas debido a que su conductividad térmica es pequeña. Estas incrustaciones afectan al rendimiento térmico de las calderas y producen un recalentamiento importante en el metal expuesto a la llama. La acción de dispersantes, lavados químicos o las dilataciones y contracciones de una caldera pueden desprender las incrustaciones, por lo que deben ser eliminadas para prevenir su acumulación en el fondo de la caldera, ver figura 17.
Figura 17. Incrustaciones en el fondo de la caldera (Fenercom, 2013)
Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio, hidróxido de magnesio, sulfato de calcio y sílice, esto se debe a la baja solubilidad que presentan estas sales y algunas de ellas como es el caso del sulfato de calcio, decrece con el aumento de la temperatura. Estas 52
incrustaciones forman depósitos duros muy adherentes, difíciles de remover, algunas de las causas más frecuentes de este fenómeno son las siguientes:
Excesiva concentración de sales en el interior de la unidad.
El vapor o condensado tiene algún tipo de contaminación.
Transporte de productos de corrosión a zonas favorables para su precipitación.
Aplicación inapropiada de productos químicos.
Las incrustaciones que puede presentar una caldera pueden ser de varios tipos:
Sulfato cálcico. Origina una costra muy dura que se adhiere fuertemente a las superficies calientes. Esta incrustación es considerada la peor de cuantas se pueden encontrar, porque presenta una dureza extrema, es muy difícil de eliminar y tiene muy baja conductividad térmica, lo que provoca sobrecalentamientos y pérdidas.
Carbonato cálcico. Es una incrustación blanda, de tipo cenagoso, de apariencia blanquecina y fácil de eliminar mediante lavado con agua.
Carbonato de magnesio. Forma una costra blanda muy similar a la del carbonato cálcico.
Sílice. No forma incrustación en solitario, sino que de una forma vítrea a los depósitos de sulfato cálcico, lo que produce una costra muy dura, frágil y 53
prácticamente insoluble en ácidos. La sílice de las calderas de alta presión de una central térmica generadora se volatiliza y viaja con el vapor al turbogenerador, para depositarse como incrustación dura, dando un efecto de porcelana sobre las piezas internas de la turbina.
Silicato de magnesio y calcio. Ambos tienden a provocar costras de estructura densa y cristalina, que se adhieren a las superficies donde se produce el intercambio térmico, y presentan cotas muy bajas de transferencia térmica.
Hidróxido de calcio y magnesio. Provocan depósitos blandos que pueden adherirse o cementar junto a otras sustancias.
Carbonato de hierro. Se encuentra con frecuencia en otras incrustaciones, y es una sustancia indeseable, porque añade una naturaleza corrosiva la propia costra que aparece.
Fosfato de calcio y magnesio. Son subproductos de los tratamientos de agua por fosfato, y aparecen como un lodo blando, que se puede eliminar fácilmente mediante purga.
Sulfato de magnesio.
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No es demasiado común en la incrustación, pero cuando aparece solo, la costra es blanda. Sin embargo, en combinación con el carbonato cálcico o el sulfato cálcico, puede resultar una incrustación vítrea muy dura.
4.12.2.
Corrosión.
La corrosión es un proceso por el cual el metal en contacto con el medio ambiente tiene a cambiar desde su forma pura a otra más estable. El hierro, por ejemplo, es gradualmente disuelto por el agua y oxidado por oxígeno, formándose productos de oxidación a base de óxidos de hierro. Este proceso ocurre a una mayor velocidad en los equipos de transferencia de calor, como lo son las calderas de vapor, debido a que en presencia de altas temperaturas, gases corrosivos y sólidos disueltos en el agua, se estimulan los procesos de corrosión. Los principales tipos de corrosión son los siguientes:
4.12.2.1. Corrosión general. Este tipo de corrosión tiende a disolver o atacar el metal sobrecalentado por el vapor de manera uniforme, un caso singular de esta corrosión es la producida por la acidez del agua, según la reacción:
El hierro y otros metales se disuelven más rápidamente en el agua mientras más bajo sea el valor del pH o más alta sea la acidez del agua. Es por esto la necesidad de mantener el pH fuertemente alcalino o elevado al interior de las calderas de vapor. 55
4.12.2.2. Corrosión por oxigeno o p i t t i n g . La corrosión producida por el oxígeno disuelto puede manifestarse, además de forma generaliza, por despolarización catódica al desequilibrar la reacción anterior en un proceso de corrosión muy importante llamado corrosión por aireación diferencial. Efectivamente, cuando un metal se encuentra recubierto de forma irregular por barros e incrustaciones, en presencia de oxígeno disuelto, las zonas
Figura 18. Corrosión por pitting. (Fenercom, 2013) cubiertas se ven preferentemente atacadas y son el centro de corrosiones localizadas y profundas, las cuales tienen un aspecto como tubérculos de color negro, ver figura 18.
4.12.2.3. Corrosión cáustica. La corrosión cáustica se produce por una sobreconcentración local en zonas de elevadas cargas térmicas (fogón, cámara trasera, etc.) de sales alcalinas, como lo es la soda cáustica. 56
Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al pitting por oxígeno, rellenas de óxidos de color negro, presentes solamente en las zonas de elevada liberación térmica de una caldera.
4.12.2.4. Corrosión por anhídrido carbónico. El anhídrido carbónico disuelto en el agua y los distintos compuestos que en ella forma, juegan un papel importantísimo en la química del agua. El CO2 se disuelve en el agua en función de su presión parcial. Una parte permanece en disolución en forma de gas mientras que la otra reacciona con el agua para generar ácido carbónico (H2CO3) que se disocia parcialmente para dar iones carbonate o bicarbonato. Estos iones serán consumidos en reacciones de ataque a diversos minerales. Esta corrosión se pone de manifiesto principalmente en las líneas de retorno de condensado y tiene efectos sobre la caldera, debido a que los óxidos producidos (hematita) son arrastrados a la misma con el agua de alimentación.
5. Presentación del problema En el complejo metalúrgico Altonorte se produjo un cambio tecnológico en la planta de secado, en donde se realizó el cambio del secador rotatorio por un secador Kumera. Para la correcta operación del nuevo secador se instalaron equipos auxiliares entre los cuales destacan; una caldera generadora de vapor mediante combustión y dos calderas recuperadoras de calor, las cuales utilizan los gases provenientes de las plantas de ácido; № 1 y № 3. Dichos cambios se realizaron con el objetivo de procesar 240 [t/h] de concentrado húmedo, aumentando la capacidad de tratamiento del secador antiguo, él cual tenía la 57
capacidad de procesar 160 [t/h] de concentrado húmedo. Además con la implantación del secador Kumera se logra cumplir con los requerimientos de reducción de emisiones de SO2 al medio ambiente, ya que con el secador rotatorio, en los últimos 2 años, se emitían en promedio 15.500 toneladas de SO2 al año. Este cambio tecnológico tenía contemplado, por diseño, que el vapor necesario para secar el concentrado fuese suministrado en su gran totalidad por las calderas recuperadoras de calor №1 y №3, mientras que la caldera generadora de vapor generaría solo una parte del vapor requerido por el secador Kumera, en caso que las calderas recuperadoras presentaran un inconveniente, la caldera generadora sería la encargada de suplir la necesidad de vapor. Por diseño la caldera generadora de vapor, a una demanda del 100%, tiene la capacidad de generar aproximadamente 40 toneladas por hora de vapor seco, es decir vapor carente de partículas de agua, éste sale con una temperatura de 214 °C y con una presión de 2 [MPa].Mientras que las calderas recuperadoras de calor, por diseño, tienen la capacidad de generar 13,6 toneladas de vapor seco con una temperatura de 214 °C y a una presión 2 [MPa]. Actualmente la CR3 se encuentra fuera de servicio, mientras que la CR1 está trabajando a una capacidad inferior a la de diseño. Debido a esto la caldera generadora debe producir más vapor del que se tenía estipulado desde un comienzo, produciendo un aumento en el consumo de FO6. Lo anteriormente mencionado se ve reflejado en las tablas N°4 y N°5.
Tabla 4. Condiciones de diseño (Elaboración propia). Variables Demanda
100%
75%
50%
25%
Flujo alimentación de agua (t/h)
41
31
21
11
58
Flujo de FO6 (t/h)
2,2
1,66
1,2
0,56
Flujo de vapor generado (t/h)
40
30
20
10
Tabla 5. Condiciones de planta (Elaboración propia). Variables Demanda
73%
49%
24%
Flujo alimentación de agua (t/h)
29,3
23,7
10
Flujo de FO6 (t/h)
1,87
1,3
0,7
Flujo de vapor generado (t/h)
28,4
22,4
9
Para el buen funcionamiento y manejo de recursos hídricos de las calderas se debe realizar el proceso de purga, el cual consiste en la eliminación periódica del exceso tanto de sólidos en suspensión como de reactivos químicos presentes en el agua al interior de la caldera. Actualmente se realizan 2 tipos de purgas: continúa y discontinua; el proceso continuo o superficial actualmente no presenta problemas, mientras que el proceso discontinuo o de fondo presenta problemas operacionales. Se trabaja con la empresa NALCO, la cual es la encargada de suministrar reactivos químicos (secuestrantes de Oxígeno, anti-incrustante y protectores de líneas de retorno de condensado) para el tratamiento del agua de alimentación a las distintas calderas y realizar análisis químicos a las purgas. NALCO inicialmente recomendó que el proceso de purga de fondo se realizará una vez por turno, traducido a dos purgas al día, lo cual no es así dado que actualmente NALCO recomienda realizar cuatro purgas por turno, equivalentes a ocho 59
purgas al día. El realizar esta gran de cantidad de purgas es atribuido al sobreconsumo de reactivos químicos, los cuales en una cantidad superior a la establecida afectan el rendimiento de la caldera, además de producir el desgaste de ésta. El sobreconsumo se debe a una mala operación en la regulación de las bombas alimentadoras de reactivos químicos. (Lunzardi,F. 2014) Este exceso de purgas provoca una gran cantidad de agua perdida, debido a que esta agua no regresa al sistema y es considerada como pérdida, por lo tanto debe ser repuesta por agua fresca proveniente de las dos plantas de osmosis inversa existentes en el complejo.
6. Metodología La metodología utilizada en esta investigación se basa en recopilar datos de terreno; experiencias de operadores de las CGV, CR1 y CR3, como datos operacionales históricos de cada uno de dichos procesos, entre los cuales destacan: porcentaje de demanda de la caldera, flujo de combustible, flujo de agua de alimentación, flujo de vapor producido por las calderas, temperatura de los gases de chimenea, porcentaje de O2, consumo de productos químicos. Durante la primera semana en el complejo metalúrgico Altonorte se realizaron las inducciones y charlas de seguridad general de las áreas pertinentes. Además, se realizaron recorridos por la planta, específicamente a la zona donde se encuentra la CGV para conocer su funcionamiento. En el transcurso de las semanas dos y tres en el complejo se realizó la recopilación de información histórica de la operación de la CGV, también se obtuvo información mediante la interacción con los operarios presentes en el momento de la visita. En paralelo a esto se desarrolló el procedimiento, en conjunto con los operadores del laboratorio metalúrgico, para la toma de
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muestras para la medición de gases en la CGV. Además se dio comienzo a la redacción del informe de avance № 1 y a la entrega de dicho informe. Una vez redactado y presentado el primer informe, se tiene estipulado el día 11 de junio realizar una reunión con el representante de NALCO, con el fin de obtener mayor información sobre el proceso de toma de muestra de purgas y análisis químicos. El día 17 de junio del presente año se tiene contemplado realizar la capacitación de METSIM. Dentro del mes de junio se continuará con la recopilación de información, charlas con los operadores, análisis de datos y variables operacionales de la caldera generadora, mencionados anteriormente. Esto se realiza con el fin de identificar los turnos con mayor y menor rendimiento, detectando las buenas prácticas y las posibilidades de mejora en la operación de las calderas. Además se analizan las variables dependientes e independientes involucradas en el proceso de secado de concentrado, de este modo se generan planes de acción preventivos y predictivos, con el fin de que los operadores cuenten con las herramientas necesarias para aumentar el rendimiento de los equipos involucrados; calderas y secador. En conjunto se realiza la modelación, simulación, y optimización de la CGV mediante el programa METSIM, con los correspondientes balances de masa y energía de la CGV, para lograr una disminución en el consumo de FO6, agua fresca y reactivos químicos, lo que se ve reflejado en la disminución del costo operacional.
6.1. Herramientas Las herramientas utilizadas son:
6.1.1. Metsim La herramienta Metsim es un software de simulación de procesos químico metalúrgicos diseñado para asistir al ingeniero en la realización de los balances de masa y energía de procesos complejos. Es por esta razón que Metsim es de gran utilidad para realizar una modelación y simulación de CGV, CR1 y CR3. 61
Para esto es necesario la recopilación de los datos históricos de condiciones y variables de los equipos involucrados. Con estos datos se realiza la modelación y simulación del proceso.
7. Bibliografía
Buestán, Adriana del Pilar Guamán. 2007. Diseño de un sistema de secado de puzolana para la Empresa Industrias Guapan S.A. Azogues : s.n.,
2007.
CASANGA MORGADO, DANIELA MONSERRAT. 2013. Estudio en la aplicación de sistemas de control de adición de sílice a un reactor de fusión.
Antofagasta : Universidad Católica del Norte, 2013.
CLEAVER BROOKS. 2013. O & I manual. Chile : s.n., 2013. COMPLEJO
METALÚRGICO
ALTONORTE.
2010.
Programa
de
capacitación por competencia. Antofagasta : s.n., 2010. KUMERA STEAM DRYER. KUMERA TECHNOLOGY CENTER. s.a.
Riihimäki, Finland : s.n., s.a. 62
