Simulación de una caldera bagacera mediante el software Aspen Plus para determinar su desempeño energético

El presente proyecto de grado trata los problemas de eficiencia energética en un generador de vapor a partir de biomasa. Este tipo de calderas tienen un alto consumo de combustible y, en la mayoría de los casos, funcionan en condiciones de funcionamiento estandarizadas. Se toma como referencia la te...

Full description

Autores:: Contreras Jaimes, Jaime Alberto

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2019

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

Idioma:: spa

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description	El presente proyecto de grado trata los problemas de eficiencia energética en un generador de vapor a partir de biomasa. Este tipo de calderas tienen un alto consumo de combustible y, en la mayoría de los casos, funcionan en condiciones de funcionamiento estandarizadas. Se toma como referencia la tesis de maestría de DUCARDO LEON VALENCIA, para obtener las condiciones estándar de funcionamiento del sistema de generación de vapor. La tesis de grado propone la simulación del sistema de generación de vapor en el software Aspen Plus V10, variando las condiciones de entrada (carga y flujo de aire), con estas condiciones de funcionamiento influyendo directamente en el generador de vapor. Una vez simulados, se desarrollan tres escenarios, incluido el caso base, el flujo de aire variable y los factores de carga variables. Cada escenario se analiza teniendo en cuenta los perfiles de temperatura de los gases de combustión en cada equipo de intercambio de calor y la eficiencia global del sistema.
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Pelayo-Díaz, «Modelado y simulación de una caldera de vapor industrial usando Ecosimpro,» 2001. [9] A. Echeverry-Arbelaez, «Análisis Exergético y Termo-ecológico de una caldera acuotubular de bagazo y cabón en un ingenio azucarero del Valle del Cauca,» Santiago de Cali, 2017 [10] ASOCAÑA, «Más que azúcar, una fuente de energía renovable para el país,» 2014 [11] Ingenio Risaralda, «Experiencia Proyecto Energía Renovable - Caso de Exito,» 2018 [12] L. Vásquez-Acuña, «Predecir mediante el análisis exergético la tecnología adecuada de cogeneración para la optimización de la planta azucarera san jacinto,» 2017 [13] D. Molina-López, «Modelacion matemática basada en el análisis exergético de una caldera bagacera,» 2015. [14] E. Silva-Lora, «Calderas de vapor y cogeneración en la industria azucarera.,» 2003. [15] E. Rodas Flores y C. Vargas Machuca, «Análisis comparativo de la eficiencia térmica en la caldera bagacera n°4 en funcionamiento convencional y con inyector secundario de aire caliente en la Empresa Agroindustrial Pomalca S.A.A.,» 2016 [16] J. E. Esquerre-Verástegui, «Reducción del impacto ambiental de calderas bagaceras,» Untelsciencia-Perú, 2016. [17] F. Espinola-Lozano, «Tutorial de Aspen Plus introducción y modelos simples de operaciones unitarias,» 2017 [18] Michigan University, «“Reactor Models,” Aspen Plus,» 2001. [19] AspenPlus, «Aspen Plus 2004.1: Getting Started Modeling Processes with Solids,» 2004 [20] C. Valderrama, V. Quintero y V. Kafarov, «Energy and water optimization of an integrated bioethanol production process from molasses and sugarcane bagasse: A Colombian case,» Fuel, 2019. [21] F. Nadaraju, A. Maddocks, J. Zanganeh y B. Moghtaderi, «Simulation of power and cooling generation via heat recovery from a ventilation air methane abatement unit,» Fuel, pp. 27-35, 2019. [22] E. Sefakor-Dogbe, M. Mandegari y J. F. Görgens, «Assessment of the thermodynamic performance improvement of a typical sugar mill through the integration of waste-heat recovery technologies,» Applied Thermal Engineering, 2019. [23] N. A. Fukushima, M. C. Palacios-Bereche, R. Palacios-Bereche y S. A. Nebra, «Energy analysis of the ethanol industry considering vinasse concentration and incineration,» Renewable Energy, pp. 96-109, 2019. [24] E. Sefakor-Dogbe, M. A. Mandegari y J. F. Görgens, «Exergetic diagnosis and performance analysis of a typical sugar mill based on Aspen Plus® simulation of the process,» Energy, pp. 614-625, 2018 [25] Y. Camacho-Ardila, J. E. Jaimes-Figueroa, B. Hoss-Lunelli, R. Maciel-Filho y M. R. Wolf-Maciel, «Syngas production from sugar cane bagasse in a circulating fluidized bed gasifier using Aspen Plus™: Modelling and Simulation,» Computer Aided Chemical Engineering, pp. 1093-1097, 2018. [26] M. Mandegari, S. Farzad y J. F. Görgens, «A new insight into sugarcane biorefineries with fossil fuel co-combustion: Techno-economic analysis and life cycle assessment,» Energy Conversion and Management, pp. 76-91, 2018 [27] A. Gagliano, F. Nocera, M. Bruno y G. Cardillo, «Development of an Equilibrium-based Model of Gasification of Biomass by Aspen Plus,» Energy Procedia, pp. 1010-1019, 2017. [28] O. Pardo-Planas, H. K. Atiyeha, J. R. Phillips, C. P. Aichele y S. Mohammad, «Process simulation of ethanol production from biomass gasification and syngas fermentation,» Bioresource Technology, pp. 925-932, 2017. [29] E. A. Pina, R. Palacios-Bereche, M. F. Chavez-Rodriguez, A. V. Ensinasa, M. Modesto y S. A. Nebra, «Reduction of process steam demand and water-usage through heat integration in sugar and ethanol production from sugarcane – Evaluation of different plant configurations,» Energy, pp. 1263-1280, 2017 [30] V. Larnaudie, E. Rochón, M. D. Ferrari y C. Lareo, «Energy evaluation of fuel bioethanol production from sweet sorghum using very high gravity (VHG) conditions,» Renewable Energy, pp. 280-287, 2016 [31] A. P. Quintero-Carrascal, «Diseño mecánico de un generador de vapor tipo acuotubular de presión subcrítica y baja producción de vapor,» 2013 [32] ASOCAÑA, «Aspectos generales del sector agroindustrial de la caña 20182019,» 2018 [33] ASOCAÑA, «Sector Agroindistria de la caña - Aspectos Generales 20172018,» 2017 [34] J. Thompson, «Una historia paso a paso (Calderas y Quemadores),» 2014. [35] C. D. SHIELD, «Calderas tipos, características y sus funciones,» Compañía Editorial Continental, 1975 [36] Y. CENGEL y M. BOLES, «Termodinámica,» McGraw - Hill, 2006 [37] D. Sanz-Amaya, «Análisis y optimización exergética de una planta de cogeneración para la industria azucarera,» Pereira, 2014 [38] P. Abarca-Bahamondes, «Descripción de Calderas y Generadores de Vapor». [39] M. Muñoz, «Cengicaña, Guía para determinar y reducir pérdidas de energía en generadores de vapor,» Guatemala, 2012
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La tesis de grado propone la simulación del sistema de generación de vapor en el software Aspen Plus V10, variando las condiciones de entrada (carga y flujo de aire), con estas condiciones de funcionamiento influyendo directamente en el generador de vapor. Una vez simulados, se desarrollan tres escenarios, incluido el caso base, el flujo de aire variable y los factores de carga variables. Cada escenario se analiza teniendo en cuenta los perfiles de temperatura de los gases de combustión en cada equipo de intercambio de calor y la eficiencia global del sistema.INTRODUCCION .................................................................................................. 12 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 14 2. OBJETIVOS .................................................................................................. 16 2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 16 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 16 3. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 17 3.1 COGENERACIÓN ................................................................................... 17 3.1.1 Tipos de cogeneración ...................................................................... 17 3.2 CALDERA ................................................................................................ 18 3.2.1 Tipos de Calderas ............................................................................. 20 3.2.2 Clasificación de las Calderas ............................................................ 21 3.2.3 Parámetros principales Caldera Bagacera. ....................................... 22 3.2.4 Bagazo .............................................................................................. 23 3.2.5 Impacto ambiental en calderas .......................................................... 24 3.3 SOFTWARE ASPEN PLUS ..................................................................... 25 3.3.1 Modelos simples de operaciones unitarias ........................................ 26 3.3.2 Cambiadores de calor ....................................................................... 29 3.3.3 Reactores en Aspen Plus V10 ........................................................... 31 3.3.4 Componentes de simulación en Aspen Plus V10 .............................. 32 4. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 33 4.1 Proyectos de Simulación en Aspen Plus .................................................. 33 5. METODOLOGIA ............................................................................................ 38 6. DESARROLLO .............................................................................................. 40 6.1 Analizar y utilizar las unidades de proceso adecuadas que permitan modelar el sistema de generación de vapor en Aspen Plus. ............................. 40 6.2 Simulación del sistema de generación de vapor en Aspen plus. .............. 45 6.2.1 Flujos de materia y calor ................................................................... 45 6.2.2 Tamaño de las partículas del combustible ......................................... 45 6.2.3 Definición de la corriente de entrada de Bagazo ............................... 46 6.2.4 Bloque Ryield (Especificaciones) ...................................................... 46 6.2.5 Combustión ....................................................................................... 47 6.2.6 Especificaciones de bloque SSPLIT (Con unidad SSPLIT) ............... 47 6.2.7 Especificaciones del bloque Hierarchy (Hogar) ................................. 47 6.2.8 Especificaciones del bloque SUPERHEATERS (SUP-HE12) ............ 48 6.2.9 Precalentadores de aire primario y secundario .................................. 49 6.2.10 Economizador ................................................................................ 51 7. RESULTADOS .............................................................................................. 52 7.1 Comparación de los datos obtenidos por la simulación con la data real de la generadora de vapor. .................................................................................... 52 7.2 Análisis de sensibilización de parámetros y analizar cómo estos afectan el sistema de generación de vapor. ...................................................................... 55 7.2.1 Análisis energético - Escenario 1 (Variando el factor de aireación) ...... 55 7.2.2 Eficiencia energética (Escenario 1) ...................................................... 60 7.2.3 Análisis ambiental (Escenario 1) ........................................................... 62 7.2.4 Análisis energético Escenario 2 (Variando flujo de combustible) .......... 64 7.2.5 Eficiencia energética (Escenario 2) ...................................................... 69 7.2.6 Análisis ambiental (Escenario 2) ........................................................... 70 7.2.7 Indicadores energéticos en el generador de vapor ............................... 71 8. CONCLUSIONES .......................................................................................... 75 9. RECOMENDACIONES .................................................................................. 77 10. REFERENCIAS .......................................................................................... 78 11. ANEXOS ..................................................................................................... 82PregradoThe present project of degree deals with the problems of energy efficiency in a steam generator from biomass. These types of boilers have a high fuel consumption and, in most cases, they work under standardized operating conditions. The DUCARDO LEON VALENCIA master's thesis is taken as a reference, to obtain standard operating conditions for the steam generation system. The degree thesis proposes simulation of the steam generation system in the Aspen Plus V10 software, varying input conditions (load and air flow), with these operating conditions directly influencing the steam generator. Once simulated, three scenarios are developed, including the base case, varying air flow and varying load factors. Each scenario is analyzed taking into account temperature profiles of the combustion gases in each heat exchange equipment and the overall efficiency of the system.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaSimulación de una caldera bagacera mediante el software Aspen Plus para determinar su desempeño energéticoSimulation of a bagasse boiler using Aspen Plus software to determine its energy performanceIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringTechnological innovationsEnergySteam generatorBiomassBoilersHeatingPower supplyEnergetic resourcesOvensSteam boilersIngeniería en energíaInnovaciones tecnológicasEnergíaCalefacciónRecursos energéticosHornosCalderas de vaporGenerador de vaporBiomasaCalderasAbastecimiento de energía[1] C. Quintero-Zuñiga, «Evaluación de la eficiencia energética en el área de elaboración de un ingenio azucarero,» Santiago de Cali, 2019[2] J. Arias-Gaviria, B. Van Der Zwaan, T. Kober y S. Arango-Aramburo, «The prospects for small hydropower in colombia,» Renewable energy 107, pp. 204214, 2017[3] S. Zapata, M. Castañeda, E. Garces, C. Franco y I. Dyner, «Assessing security of supply in a largely hydroelectricity-based system: the colombian case,» Energy 156, pp. 444-457, 2018[4] J. C. Acevedo-Pinzón, «Simulacion de las unidades de cogeneración de energía a partir de bagazo de caña de azúcar,» 2009.[5] C. Alderetes, «Calderas a Bagazo - – Proyecto, operación y mantenimiento,» 2016.[6] P. Uribazo Díaz, D. Tito Ferro y J. Ochoa Estévez, «Influencias de las calderas sobre el medio ambiente,» Ciencia en su PC, nº 3, pp. 1-13, 2006.[7] E. Rosero y B. Chiliquinga, «Observatorio de energias renovables en América Latina y el Caribe,» 2011[8] S. Pelayo-Díaz, «Modelado y simulación de una caldera de vapor industrial usando Ecosimpro,» 2001.[9] A. Echeverry-Arbelaez, «Análisis Exergético y Termo-ecológico de una caldera acuotubular de bagazo y cabón en un ingenio azucarero del Valle del Cauca,» Santiago de Cali, 2017[10] ASOCAÑA, «Más que azúcar, una fuente de energía renovable para el país,» 2014[11] Ingenio Risaralda, «Experiencia Proyecto Energía Renovable - Caso de Exito,» 2018[12] L. Vásquez-Acuña, «Predecir mediante el análisis exergético la tecnología adecuada de cogeneración para la optimización de la planta azucarera san jacinto,» 2017[13] D. Molina-López, «Modelacion matemática basada en el análisis exergético de una caldera bagacera,» 2015.[14] E. Silva-Lora, «Calderas de vapor y cogeneración en la industria azucarera.,» 2003.[15] E. Rodas Flores y C. Vargas Machuca, «Análisis comparativo de la eficiencia térmica en la caldera bagacera n°4 en funcionamiento convencional y con inyector secundario de aire caliente en la Empresa Agroindustrial Pomalca S.A.A.,» 2016[16] J. E. Esquerre-Verástegui, «Reducción del impacto ambiental de calderas bagaceras,» Untelsciencia-Perú, 2016.[17] F. Espinola-Lozano, «Tutorial de Aspen Plus introducción y modelos simples de operaciones unitarias,» 2017[18] Michigan University, «“Reactor Models,” Aspen Plus,» 2001.[19] AspenPlus, «Aspen Plus 2004.1: Getting Started Modeling Processes with Solids,» 2004[20] C. Valderrama, V. Quintero y V. Kafarov, «Energy and water optimization of an integrated bioethanol production process from molasses and sugarcane bagasse: A Colombian case,» Fuel, 2019.[21] F. Nadaraju, A. Maddocks, J. Zanganeh y B. Moghtaderi, «Simulation of power and cooling generation via heat recovery from a ventilation air methane abatement unit,» Fuel, pp. 27-35, 2019.[22] E. Sefakor-Dogbe, M. Mandegari y J. F. Görgens, «Assessment of the thermodynamic performance improvement of a typical sugar mill through the integration of waste-heat recovery technologies,» Applied Thermal Engineering, 2019.[23] N. A. Fukushima, M. C. Palacios-Bereche, R. Palacios-Bereche y S. A. Nebra, «Energy analysis of the ethanol industry considering vinasse concentration and incineration,» Renewable Energy, pp. 96-109, 2019.[24] E. Sefakor-Dogbe, M. A. Mandegari y J. F. Görgens, «Exergetic diagnosis and performance analysis of a typical sugar mill based on Aspen Plus® simulation of the process,» Energy, pp. 614-625, 2018[25] Y. Camacho-Ardila, J. E. Jaimes-Figueroa, B. Hoss-Lunelli, R. Maciel-Filho y M. R. Wolf-Maciel, «Syngas production from sugar cane bagasse in a circulating fluidized bed gasifier using Aspen Plus™: Modelling and Simulation,» Computer Aided Chemical Engineering, pp. 1093-1097, 2018.[26] M. Mandegari, S. Farzad y J. F. 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Simulación de una caldera bagacera mediante el software Aspen Plus para determinar su desempeño energético

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