Caminos de Eficiencia

Reducir las emisiones contaminantes al máximo y optimizar su eficiencia energética lo más que se pueda. Esos son dos de los objetivos principales que deben cumplir los equipos térmicos, en especial las calderas industriales.

En ese sentido, el estudio "Análisis de Prefactibilidad Técnica y Económica para Reducción de Emisiones de Contaminantes Atmosféricos, a partir de Medidas de Eficiencia Energética (EE) en los Sectores Industrial, Institucional y Público" -preparado por ATS Energía para el Ministerio del Medio Ambiente- hace un importante aporte. En concreto, pone sobre la mesa las principales alternativas disponibles para mejorar la eficiencia en los procesos térmicos industriales, identificando cuatro opciones: diseño de los sistemas térmicos, gestión energética, intervención de equipos y operación de calderas.

A continuación, nos centraremos en las medidas de EE derivadas de la última alternativa, relativa al funcionamiento de estas tecnologías.

De Bajo Costo

Respecto a los cambios de las condiciones en las cuales se realiza la generación de calor, el documento señala que se pueden aplicar medidas sencillas como la realización de mantenciones periódicas para asegurar la correcta operación de las calderas. Y sobre acciones de bajo o nulo costo, el estudio recomienda:

• Asegurar un suministro de aire óptimo
El aire en exceso aumenta el flujo de gases en la chimenea con las consiguientes pérdidas de calor. Se estima que por cada 3% a 4% de reducción de concentración de oxígeno la eficiencia térmica aumenta 0,6%. Por otro lado, una cantidad deficiente resulta en una combustión incompleta, lo que genera incrustaciones en las superficies de transferencia de calor, y emisiones de material particulado y monóxido de carbono.

• Transferencia de calor eficiente
Las superficies de transferencia de calor deben estar limpias para asegurar su conducción eficiente. Eso implica la necesidad de realizar limpiezas externas y usar agua de buena calidad para evitar incrustaciones que actúen como un aislamiento indeseado. Se recomienda la realización regular de purgas y el monitoreo de la conductividad, pH, oxígeno disuelto, sodio, silicio, hidracina, fosfato, amoniaco y cloruro.

• Monitoreo de los puntos de consumo
Hacerlo de manera permanente permite realizar seguimiento a cambios en la demanda que podrían ser un indicativo de falla, así como establecer metas puntuales y específicas.

• Asegurar funcionamiento en el rango óptimo
Debe tenderse a porcentajes de carga elevados. Por ejemplo, es deseable tener una caldera operando al 60% o 70% de su potencia en vez de dos equipos funcionando al 30%. Lo anterior considera la implementación de un sistema de medición y control adecuado que no necesariamente significa realizar modificaciones en la caldera propiamente tal, pero sí corregir sus parámetros de operación.

"De manera complementaria, para asegurar que la caldera mantenga a lo largo de su vida útil una eficiencia energética y una operación óptima, se deben efectuar las mantenciones adecuadas, pudiéndose así obtener ahorros de hasta un 15% en unidades individuales", indica el estudio.

Añade que en calderas industriales la falta de mantenciones puede generar acumulaciones de hollín en las superficies de transferencia de calor, lo que redunda en un aumento de la demanda energética.

Medidas de EE

La guía también especifica una serie de medidas generales de eficiencia energética para equipos térmicos. Tome nota:

• Cambio de caldera

- Justificación: Una caldera mal dimensionada o muy antigua puede presentar ineficiencias y una combustión deficiente.
- Ganancia de EE: Depende de las características de la caldera reemplazada y la nueva versión.
- Otros beneficios: Eventual reducción de fallas y disminución de emisiones de contaminantes.
- Consideraciones: Existen en el mercado versiones para el reemplazo de calderas de distinta capacidad, combustible y características de desempeño. Versiones nuevas pueden incluir equipos de EE, como por ejemplo un economizador. En la selección de la caldera deben considerarse características específicas del proceso en que se integrará, como la capacidad del equipo, el combustible a utilizar, el ciclo de carga típico y la disponibilidad de espacio y de recursos económicos.

• Cambio de quemadores

- Motivo: Un quemador deficiente aumenta las emisiones de contaminantes e impacta negativamente en la eficiencia y seguridad operacional.
- Mayor eficiencia: Hasta un 5%.
- Otros beneficios: Reducción de las emisiones de NOx cuando se eligen quemadores low o ultra low NOx. Y operación en distintos niveles de carga cuando se escoge uno de tipo modulante.
- A tener en cuenta: La decisión depende del combustible utilizado y las posibilidades económicas de las empresas.

• Recuperación de calor de purgas, trampas de vapor y condensado

- ¿La razón?: Una combustión con exceso de aire inadecuado es ineficiente y aumenta la generación de contaminantes atmosféricos.
- Ganancia de EE: Hasta un 7% dependiendo de las condiciones del proceso.
- Más beneficios: Pueden darse periodos de recuperación de la inversión menores a un año.
- Consideraciones: Debe observarse la calidad del agua, la disponibilidad de espacio, las demandas de agua caliente cercanas a la purga y la disponibilidad de recursos económicos para realizar el proyecto. Recomendable para unidades con purga continua de la caldera superior al 5% de la tasa de vapor.

• Control de la relación aire/combustible y modulación de la llama

- Justificación: Una combustión con un exceso de aire inadecuado es ineficiente y aumenta la generación de contaminantes atmosféricos. Asimismo, la incorrecta modulación de la llama puede generar sobreconsumos de combustible o problemas en el proceso.
- Mayor eficiencia: Entre un 5% y un 25%.
- Otros beneficios: Reduce la emisión de contaminantes.
- Consideraciones: Esta opción considera la instalación de un microprocesador que controla simultáneamente entre dos a cuatro actuadores asociados al quemador de la caldera con un rango de modulación completo. Por su parte, los actuadores controlan la posición de las válvulas de combustible primario y secundario, el aire de combustión y el retorno de gases de combustión en caso que exista.

• Incorporación de economizador

- Motivo: Un economizador permite reducir costos al recuperar calor que puede aprovecharse en procesos, desde los humos de una caldera.
- Aumento de eficiencia: Distintos proveedores informan diversos rangos de mejora de la eficiencia. Según EPA, ~4°C de caída en la temperatura del gas de escape equivale a una mejora del 1%.
- Beneficios adicionales: La reducción del consumo de combustible implica una menor generación de contaminantes. Y plazos de amortización de 2 años.
- A tener en cuenta: Combustibles con un alto nivel de azufre provocan problemas de corrosión que dificultan la incorporación de economizadores. Además, la cantidad de calor que se puede recuperar está limitada por la temperatura del punto de rocío, la que varía según el combustible. Y calderas nuevas pueden contar con el economizador incorporado.

• Aislación del sistema de distribución de calor

- Justificación: Dependiendo de las características del sistema, una cantidad importante de calor puede perderse en el transporte de los fluidos.
- Mayor EE: Depende de las características del sistema.
- Otros beneficios: Disminuye las necesidades de mantenimiento al evitar fugas que dañan los circuitos, además del riesgo de accidentes para los trabajadores.
- Consideraciones: Aunque se puede aplicar a cualquier sistema, es más adecuado con temperaturas superficiales por encima de ~49°C. Puede planificarse para su implementación en periodos de detención de la planta por mantenciones.

Artículo publicado en InduAmbiente 163 (marzo-abril 2020), páginas 70-72.