Análisis y formulación de sistemas de extracción de gases para hornos de alta temperatura e instalaciones de coincineración

Abstract

Los sistemas de extracción de gases (SEG) se emplean para extraer gases de combustión y de procesos con el fin de realizar el abatimiento de los contaminantes atmosféricos. Un SEG consiste típicamente de un circuito de ductos de extracción con equipos de: i. Post-combustión, ii. Enfriamiento del flujo, iii. Abatimiento del material particulado, iv. Abatimiento de gases contaminantes, y v. Impulsión. Para el diseño de SEGs se emplea clásicamente la teoría de ventilación y el gas efluente se trata como aire puro, lo cual es una mala aproximación porque la constitución del gas (normalmente conteniendo material particulado) y sus propiedades fisicoquímicas pueden propiciar fenómenos adversos y/o reducciones de eficiencia general. Ante este panorama complejo en este proyecto se propone dar un nuevo enfoque al problema considerando aspectos tales como: i. Composición química variable del gas efluente, ii. Transporte en flujo bifásico (gas + partículas), iii. Incorporación de modernas tecnologías de abatimiento de contaminantes atmosféricos y iv. Incorporación de modernas tecnologías de instrumentación y control de procesos. El proyecto plantea desarrollar y aplicar una metodología de diseño y control de procesos para SEGs en instalaciones de alta temperatura, fundiciones de acero y plomo, e instalaciones de coincineración, con capacidades de hasta 54.000 m3/h, con la finalidad de cumplir la norma chilena de emisiones detallada en el Decreto Supremo 29. Sus objetivos específicos son: i. Realizar una evaluación del estado del arte de tecnologías para el tratamiento de gases en hornos de fundición e instalaciones de coincineración, ii. Desarrollar una metodología de diseño que entregue el dimensionamiento de sistemas de extracción, equipos y ductería, en función del caudal y concentración de contaminantes emitidos por el equipo industrial, iii. Desarrollar la filosofía de control del sistema de extracción de gases que entregue las variables a controlar, dispositivos de medición, lazos de control y operación de la instalación, y iv. Aplicar la metodología de diseño y control de procesos a 3 casos de la industria chilena y efectuar una estimación de la inversión económica requerida en cada caso. Para desarrollar los objetivos del trabajo se emplea una metodología de revisión, análisis y cálculo de: i. Las propiedades fisicoquímicas del flujo, ii. Las condiciones de transporte neumático, iii. La distribución de material particulado, iv. Los balances: químicos, de materia y de energía, y v. El dimensionamiento de equipos y ductería. El método se aplica para el análisis de 3 casos típicos de la industria chilena. Los principales resultados y conclusiones del proyecto muestran que: i. Considerar el gas efluente como flujo bifásico, con composición química variable, es adecuado para el diseño de SEGs dado que permite determinar con buena precisión y exactitud las propiedades fisicoquímicas y las condiciones de transporte neumático. Ello promueve un dimensionamiento apropiado de los equipos de depuración. ii. La energía térmica de los gases es recuperable, preferentemente, por medio de intercambiadores de calor de aceite térmico; los cuales pueden recuperar anualmente hasta el 20% de la inversión de la instalación para los casos de estudio, iii. El monitoreo continuo y/o el control automático de los elementos de un sistema de extracción de gases promueve estabilidad, eficiencia y seguridad en la operación diaria, iv. Los contaminantes que presentan un elevado costo de abatimiento son los óxidos de azufre y el material particulado. Esto se debe principalmente a la alta inversión económica en equipos para la depuración de estos compuestos.