10 febrero 2011

Recuperando el calor residual de los humos



En varios artículos hemos hablado de la recuperación del calor de los humos en calderas (Ver "Máxima eficiencia en supercalderas recuperando el gas de los humos" y "Eficiencia energética en calderas de vapor"). En este nuevo artículo vamos a tratar con detalle esta interesante técnica de recuperación.

Objetivo de la recuperación de los humos

El coste creciente de los combustibles es responsable de afectar la rentabilidad de las plantas industriales de procesos, y las fluctuaciones del precio de los combustible hacen incierto predecir el futuro de los costes de la energía y el impacto de tales fluctuaciones en los beneficios.

Numerosos procesos industriales incluyen hornos, calentadores y calderas, que se alimentan con combustibles fósiles y liberan grandes cantidades de energía en forma de calor residual contenido en el calor de los humos. Un ciclo de rankine orgánico (ORC) puede utilizar eficientemente este calor para generar electricidad, incluso a partir de un chorro de gas de los humos a una temperaturatura relativamente baja.

Un ORC parece un ciclo de rankine típico, pero en vez de circular agua como fluido de trabajo, un ORC usa refrigerante - típicamente un fluido orgánico como etano, propano, propileno o varios refrigerantes comerciales, tales como R-245fa. Un ORC también opera a temperaturas muy bajas comparadas con el ciclo de Rankine basado en vapor. Por ejemplo, los sistemas basados en vapor típicamente operan a las temperaturas correspondientes a vapor a baja temperatura; esto es 121 º C o más altas. En comparación, un ORC puede operar eficientemente a temperaturas por debajo del punto de vaporización del agua; es decir 100 ºC, hasta una temperatura inferior deseada. Así, el uso de un ORC puedes ser un método efectivo en costes para capturar el calor residual del gas de los humos en vez de usar un ciclo de Rankine basado en el vapor tradicional. Esto se consigue reduciendo la temperatura del gas de los humos por debajo de lo que sea posible en un sistema de vapor sin necesidad de un sistema de intercambiadores de calor complejos

Cuando está apropiadamente diseñado, un sistema ORC puede quitar más calor del gas de los humos que el sistema basado en el ciclo de Rankine y por ello puede usarse con efectividad con chorros de gas de los humos más fríos en comparación con los producidos por sistemas de Rankine basados en vapor.

Asimismo, la mayoría de los métodos de tratamiento del gas de los humos, tales como los que implican depuración o  scrubber, captura de carbono, y secuestro de carbono, requieren que el chorro del  gas de los humos se enfríe antes de su introducción en el tren de tratamiento. Así, la adición de un sistema ORC puede ser un gran beneficio cuando se usa en combinación con un sistema de tratamiento aguas abajo, y puede ayudar a mejorar la economía total del tratamiento del gas de los humos generando potencia adicional del calor de residuos en el chorro del gas de los humos - calor que de otra forma se perdería en agua fría o hacia la atmósfera.

Varias configuraciones ORC básicas

Aunque, el enfoque principal de este artículo es el uso de una configuración ORC simple, pueden hacerse modificaciones específicas al ciclo para mejorar la eficiencia de recuperación de calor e incrementar la cantidad de energía recuperada. Por ejemplo, si se utiliza un intercambiador de calor para precalentar el chorro refrigerante entrando en el evaporador por intercambio de calor con el chorro de salida de la turbina, se consigue una recuperación de energía adicional del 10 %. Dependiendo del tamaño de la instalación específica, puede conseguirse un ahorro significativo.

Sin embargo, si bien las eficiencias de recuperación de calor mejoradas y el potencial para incrementar la cantidad de energía recuperada no siempre gratificante, la adición de equipo extra requiere capital adicional, gastos de operación y mantenimiento. Estos costes adicionales deben ser sopesados respecto al valor de la energía recuperada. Así, dependiendo del tiempo payback requerido y las previsiones de los precios de la energía, la adición de un sistema ORC simple puede provarse como la solución más efectiva en costes para una aplicación particular.

Elección del refrigerante

El potencial económico y de recuperación de calor de un ORC es una propiedad de las propiedades termodinámicas del refrigerante seleccionado. Así, la selección del mejor fluido de trabajo para una aplicación dada es importante para la implementación con éxito de cualquier sistema de recuperación del calor de los residuos. Las mezclas del refrigerante pueden también considerarse y la elección del refrigerante o mezcla de refrigerantes debe ser optimizada caso a caso. Los diseñadores usan datos empíricos o simulaciones para llevar a cabo esta selección.

Intercambiadores de calor refrigerado por aire respecto al enfriamiento por agua

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire son más económicos que los refrigerados por agua. Los enfriadores por aire, dependiendo de la aplicación, no son generalmente altos consumidores de energía pero requieren más espacio.

Condensación ácido-gas

Cuando se establece la temperatura a la cual sale el gas de los humos de la unidad de recuperación de calor, deben hacerse consideraciones sobre el potencial de la condensación de ácido. Esto ocurre cuando se permite que el vapor de agua en el chorro del gas de los humos condensa, transportando cualquier compuesto que puede formar un ácido cuando se combina con el agua.

En la mayoría de los casos, los chorros del gas de los humos industriales se producen por la combustión de humos fósiles. En muchos casos, este combustible contiene alguna forma de azufre, que probablemente se convierta en alguna forma de SOx durante la combustión. Si se enfría por debajo del punto de rocío, estos subproductos de la combustión, junto con el dióxido de carbono, pueden combinarse con el vapor de agua presente en el chorro del gas de los humos y formar ácidos corrosivos.

Para prevenir la corrosión de los equipos, cualquier elemento que entre en contacto con el chorro del gas de los humos enfriado debe ser construido con materiales especiales que puedan resistir daños de tales ácidos, y estos materiales especiales pueden añadir costes añadidos adicionales a los equipos. Tales sistemas del gas de los humos han sido también comúnmente diseñados para quedar por encima del punto de rocío de los ácidos para evitar la corrosión.

Mientras estos diseños y consideraciones de operación pueden añadir un coste consierable al coste del sistema, la condensación del gas de los humos proporciona oportunidades adicionales para la captura de energía, debido a que el vapor de agua en el gas de los humos se condensa, el calor latente de vaporización del agua se transferirá al fluido de trabajo, incrementando por tanto el potencial de energía recuperada vía el sistema ORC.

Debe realizarse un análisis económico para equilibrar el sistema y determinar si enfriando el chorro del gas de los humos por debajo del punto de rocío del ácido y capturando la energía extra compensa el capital necesario para implementar los requerimientos metalúrgicos para resistir el potencial del ataque de los ácidos.

Bibliografía: Recover Waste Heat From Fluegas. Chemical Engineering September 2010

Palabras clave: Organic Rankine cycle (ORC)
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