Introducción a la Recuperación de Condensado

Una introducción a las razones para la recuperación y retorno de condensado, incluyendo costos de energía, cargos de agua, restricciones de efluentes y costos de tratamiento de agua. Incluye cálculos de ejemplo para ahorros potenciales.

Introducción a la Recuperación de Condensado

El vapor generalmente se genera por una de dos razones:

• Para producir energía eléctrica, por ejemplo en centrales eléctricas o plantas de cogeneración.
• Para suministrar calor para sistemas de calefacción y proceso. Cuando un kilogramo de vapor se condensa completamente, se forma un kilogramo de condensado a la misma presión y temperatura (Figura 14.1.1). Un sistema de vapor eficiente reutilizará este condensado. No recuperar y reutilizar el condensado no tiene sentido financiero, técnico ni ambiental.

El vapor saturado utilizado para calefacción cede su calor latente (entalpía de evaporación), que es una gran proporción del calor total que contiene. El resto del calor en el vapor se retiene en el condensado como calor sensible (entalpía del agua) (Figura 14.1.2).

Además de tener contenido de calor, el condensado es básicamente agua destilada, lo cual es ideal para usar como agua de alimentación de caldera. Un sistema de vapor eficiente recogerá este condensado y lo devolverá a un desaireador, un tanque de alimentación de caldera, o lo usará en otro proceso. Solo cuando existe un riesgo real de contaminación el condensado no debe retornarse a la caldera. Aún así, puede ser posible recoger el condensado y usarlo como agua de proceso caliente o pasarlo a través de un intercambiador de calor donde su contenido de calor puede recuperarse antes de descargar la masa de agua al desagüe.

El condensado se descarga de las instalaciones y equipos de vapor a través de trampas de vapor de una presión más alta a una más baja. Como resultado de esta caída de presión, parte del condensado se re-evaporará en ‘vapor flash’. La proporción de vapor que se ‘evaporará por flash’ de esta manera está determinada por la cantidad de calor que puede retenerse en el vapor y el condensado. Una cantidad de vapor flash del 10% al 15% en masa es típica (ver Módulo 2.2). Sin embargo, el cambio volumétrico porcentual puede ser considerablemente mayor. El condensado a 7 bar g perderá aproximadamente el 13% de su masa cuando se evapore por flash a presión atmosférica, pero el vapor producido requerirá un espacio aproximadamente 200 veces mayor que el condensado del que se formó. Esto puede tener el efecto de obstruir líneas de descarga de trampas de tamaño insuficiente, y debe tenerse en cuenta al dimensionar estas líneas. Ejemplo 14.1.1 Cálculo de la cantidad de vapor flash a partir de condensado Condensado caliente a 7 bar g tiene un contenido de calor de aproximadamente 721 kJ/kg. Cuando se libera a presión atmosférica (0 bar g), cada kilogramo de agua solo puede retener aproximadamente 419 kJ de calor. La energía excedente en cada kilogramo del condensado es por lo tanto 721 – 419 = 302 kJ. Esta energía excedente está disponible para evaporar parte del condensado en vapor, siendo la cantidad evaporada determinada por la proporción de calor excedente respecto a la cantidad de calor requerida para evaporar agua a la presión inferior, que en este ejemplo es la entalpía de evaporación a presión atmosférica, 2258 kJ/kg.

El tema del vapor flash se examina con mayor profundidad en el Módulo 2.2, ‘¿Qué es el vapor?’. Un gráfico simple (Figura 14.1.3) se utiliza en este Módulo para calcular la proporción de vapor flash. Ejemplo: Proporción de vapor flash usando la Figura 14.1.3: Presión en la trampa = 4 bar g Presión del vapor flash = 0 bar g % Vapor flash = 10% La cantidad de vapor flash en la tubería es el factor más importante al dimensionar las líneas de descarga de las trampas.

El vapor producido en una caldera por el proceso de añadir calor al agua se denomina a menudo vapor vivo. Los términos vapor vivo y vapor flash solo se usan para diferenciar su origen. Ya sea que el vapor se produzca en una caldera o del proceso natural de flash, tiene exactamente el mismo potencial para ceder calor, y cada uno se usa con éxito para este propósito. El vapor flash generado a partir del condensado puede contener hasta la mitad de la energía total del condensado. Un sistema de vapor eficiente recuperará y usará el vapor flash. El condensado y el vapor flash descargados al desperdicio significan más agua de reposición, más combustible y mayores costos operativos.

Este Módulo examinará dos áreas esenciales: la gestión del condensado y la recuperación de vapor flash. Se esbozarán algunas de las áreas de problemas aparentes y se propondrán soluciones prácticas. Nota: El término ‘trampa’ se usa para denotar un dispositivo de purga de vapor, que podría ser una trampa de vapor, una trampa de bombeo, o una combinación de bomba y trampa. La capacidad de cualquier trampa para pasar condensado depende de la diferencia de presión a través de ella, mientras que una trampa de bombeo o una combinación bomba-trampa podrá pasar condensado independientemente de las diferencias de presión operativas (sujeto a presiones de diseño).

Retorno de condensado

Un sistema efectivo de recuperación de condensado, recogiendo el condensado caliente del equipo que usa vapor y devolviéndolo al sistema de alimentación de la caldera, puede pagarse a sí mismo en un período de tiempo notablemente corto. La Figura 14.1.4 muestra un circuito simple de vapor y condensado, con el condensado retornando al tanque de alimentación de la caldera.

¿Por qué retornar el cond​ensado y reutilizarlo?

Razones financieras El condensado es un recurso valioso e incluso la recuperación de pequeñas cantidades es a menudo económicamente justificable. La descarga de una sola trampa de vapor a menudo vale la pena recuperarla. El condensado no recuperado debe ser reemplazado en la sala de calderas por agua de reposición fría con costos adicionales de tratamiento de agua y combustible para calentar el agua desde una temperatura más baja. Cargos de agua Cualquier condensado que no se retorne necesita ser reemplazado por agua de reposición, incurriendo en cargos adicionales de agua del suministrador local de agua. Restricciones de efluentes En el Reino Unido por ejemplo, el agua por encima de 43°C no puede retornarse al alcantarillado público por ley, porque es perjudicial para el medio ambiente y puede dañar las tuberías de cerámica. El condensado por encima de esta temperatura debe enfriarse antes de ser descargado, lo que puede incurrir en costos energéticos adicionales. Restricciones similares se aplican en la mayoría de los países, y los proveedores de agua pueden imponer cargos por efluentes y multas por incumplimiento. Maximización de la producción de la caldera El agua de alimentación de caldera más fría reducirá la tasa de producción de vapor de la caldera. Cuanto más baja sea la temperatura del agua de alimentación, más calor y, por lo tanto, más combustible se necesita para calentar el agua, dejando así menos calor para generar vapor. Calidad del agua de alimentación de caldera El condensado es agua destilada, que contiene casi ningún sólido disuelto total (SST). Las calderas necesitan ser purgadas para reducir su concentración de sólidos disueltos en el agua de la caldera. Retornar más condensado al tanque de alimentación reduce la necesidad de purga y, por lo tanto, reduce la energía perdida de la caldera. ¿Por qué retornar el condensado y reutilizarlo?

• Resumen de razones para la recuperación de condensado:
• Se reducen los cargos de agua.
• Se reducen los cargos por efluentes y posibles costos de enfriamiento.
• Se reducen los costos de combustible.
• Se puede producir más vapor de la caldera.
• Se reduce la purga de la caldera - se pierde menos energía de la caldera.
• Se reduce el tratamiento químico del agua de reposición cruda. La Figura 14.1.5 compara la cantidad de energía en un kilogramo de vapor y condensado a la misma presión. El porcentaje de energía en el condensado respecto a la del vapor puede variar del 18% a 1 bar g al 30% a 14 bar g; claramente el condensado líquido vale la pena recuperarlo.

El siguiente ejemplo (Ejemplo 14.1.2) demuestra el valor financiero de retornar condensado. Ejemplo 14.1.2 Una caldera produce: 10000 kg/h de vapor 24 horas/día, 7 días/semana y 50 semanas/año (8400 horas/año). El agua de reposición cruda está a 10°C. Actualmente todo el condensado se descarga al desperdicio a 90°C. El agua cruda cuesta £0,61/m3, y los costos de efluentes son £0,45/m3. La caldera tiene una eficiencia del 85% y usa gas en una tarifa interrumpible cobrada a £0,01/kWh (£2,77/GJ). El vapor producido en una caldera por el proceso de añadir calor al agua se denomina a menudo vapor vivo. Los términos vapor vivo y vapor flash solo se usan para diferenciar su origen. Ya sea que el vapor se produzca en una caldera o del proceso natural de flash, tiene exactamente el mismo potencial para ceder calor, y cada uno se usa con éxito para este propósito. El vapor flash generado a partir del condensado puede contener hasta la mitad de la energía total del condensado. Un sistema de vapor eficiente recuperará y usará el vapor flash. El condensado y el vapor flash descargados al desperdicio significan más agua de reposición, más combustible y mayores costos operativos. Este Módulo examinará dos áreas esenciales: la gestión del condensado y la recuperación de vapor flash. Se esbozarán algunas de las áreas de problemas aparentes y se propondrán soluciones prácticas. Nota: El término ‘trampa’ se usa para denotar un dispositivo de purga de vapor, que podría ser una trampa de vapor, una trampa de bombeo, o una combinación de bomba y trampa. La capacidad de cualquier trampa para pasar condensado depende de la diferencia de presión a través de ella, mientras que una trampa de bombeo o una combinación bomba-trampa podrá pasar condensado independientemente de las diferencias de presión operativas (sujeto a presiones de diseño). Retorno de condensado Un sistema efectivo de recuperación de condensado, recogiendo el condensado caliente del equipo que usa vapor y devolviéndolo al sistema de alimentación de la caldera, puede pagarse a sí mismo en un período de tiempo notablemente corto. La Figura 14.1.4 muestra un circuito simple de vapor y condensado, con el condensado retornando al tanque de alimentación de la caldera.

Determinar el valor anual​ del retorno del condensado

Parte 1 - Determinar el costo del combustible Cada kilogramo de condensado que no retorne al tanque de alimentación de la caldera debe ser reemplazado por 1 kg de agua de reposición fría (10°C) que debe calentarse a la temperatura del condensado de 90°C. (ΔT = 80°C). Calcular el calor requerido para aumentar la temperatura de 1 kg de agua de reposición fría en 80°C, usando la Ecuación 2.1.4.

m es unidad; ΔT es la diferencia entre el agua de reposición fría y la temperatura del condensado retornado; cp es el calor específico del agua a 4,19 kJ/kg °C. 1 kg x 4,19 kJ/kg °C x 80°C = 335 kJ/kg Basando los cálculos en una tasa de evaporación promedio de 10000 kg/h, para una planta en operación 8400 h/año, la energía requerida para reemplazar el calor en el agua de reposición es: 10000 kg/h x 335 kJ/kg x 8400 h/año = 28140 GJ/año Si la eficiencia promedio de la caldera es del 85%, la energía suministrada para calentar el agua de reposición es:

Con un costo de combustible de £2,77/GJ, el valor de la energía en el condensado es:

Costo anual de combustible = 33106 GJ/año x £2,77/GJ = £91704 Parte 2 - Determinar el costo del agua El agua se vende por volumen, y la densidad del agua a temperatura ambiente normal es aproximadamente 1000 kg/m3. La cantidad total de agua requerida en un año reemplazando el condensado no retornado es por lo tanto:

Si los costos del agua son £0,61 por m³, el costo anual del agua es:

Costo anual del agua = 84000 m3/año x £0,61/m3 = £51240 Parte 3 - Determinar el costo del efluente El condensado que no fue recuperado tendría que descargarse al desperdicio, y puede ser cobrado también por la autoridad del agua. La cantidad total de agua al desperdicio en un año también equivale a 84000 m³ Si los costos de efluentes son £0,45 por m³, el costo anual de efluentes es: Costo anual de efluentes = 84000 m3/año x £0,45/m3 = £37800 Parte 4 - Valor total del condensado El valor anual total de 10000 kg/h de condensado perdido al desperdicio se muestra en la Tabla 14.1.1:

Tabla 14.1.1 El valor potencial de retornar condensado en el Ejemplo 14.1.2

Con esta base, se deduce que por cada 1% de condensado retornado por cada 10000 kg/h evaporado como en el Ejemplo 14.1.2, sería posible un ahorro del 1% de cada uno de los valores mostrados en la Tabla 14.1.1. Ejemplo 14.1.3 Si se decidiera invertir £50000 en un proyecto para retornar el 80% del condensado en una planta similar al Ejemplo 14.1.2, pero donde la tasa total de evaporación fuera solo de 5000 kg/h, los ahorros y el período de retorno simple serían:

Este cálculo de ejemplo no incluye un valor para los ahorros debidos al control correcto de SST y la reducción de purga, que reducirán aún más las pérdidas de agua y los costos químicos de la caldera. Estos pueden variar sustancialmente de un lugar a otro, pero siempre deben considerarse en el análisis final. Claramente, al evaluar la gestión del condensado para un proyecto específico, tales ahorros deben determinarse e incluirse.

El control de SST y el tratamiento de agua ya se discutieron en el Bloque 3. Las rutinas descritas en los Ejemplos 14.1.2 y 14.1.3 pueden desarrollarse para formar la base de un cálculo de ruta forzada para asignar un valor monetario a proyectos destinados a mejorar la recuperación de condensado. La Ecuación 14.1.1 se puede usar para calcular los ahorros de combustible por año:

Los ahorros en costos de agua se pueden determinar usando la Ecuación 14.1.2:

Los ahorros en costos de efluentes se pueden determinar usando la Ecuación 14.1.3:

Ejemplo 14.1.4 Un proyecto importante de gestión de condensado que cuesta £70000 espera recuperar un 35% adicional del condensado producido en una planta. La tasa promedio de producción de vapor de la caldera es de 15000 kg/h, y la planta opera durante 8000 h/año. El combustible usado es gas en una tarifa firme de £0,011/kWh, y la eficiencia de la caldera se estima en 80%. La temperatura del agua de reposición es 10°C y las líneas de retorno de condensado aisladas aseguran que el condensado llegue de vuelta a la sala de calderas a 95°C. Considere los costos del agua a £0,70/m3 y los costos totales de efluentes a £0,45/m3. Determine el período de retorno del proyecto. Parte 1 - Determinar los ahorros de combustible Use la Ecuación 14.1.1:

Parte 2 - Determinar los ahorros en agua y efluentes

Use la Ecuación 14.1.2 para calcular los ahorros en costos de agua/año:

Parte 3 - Determinar el período de retorno