Análisis de emisiones de gases para la optimización del rendimiento de la caldera

Análisis de emisiones de gases para la optimización del rendimiento de la caldera

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Según el diario O Globo (2021), el 86% de las emisiones de dióxido de carbono provienen de la quema de combustibles fósiles para la producción de energía y materiales. A pesar de la alarmante cifra, el 27% de las industrias brasileñas ya se han comprometido con la neutralidad de carbono, con objetivos para reducir las emisiones de carbono. Este cambio de actitud se refleja positivamente en varios aspectos, especialmente en el aumento de la productividad y la calidad del producto producido. Además de los beneficios operativos, esta preocupación también aborda los temas ESG, ayudando a la industria a adaptarse a los estándares requeridos por las agencias gubernamentales.

La industria utiliza gases en varias etapas del proceso de producción, particularmente en el funcionamiento de calderas. Este tipo de equipos transforman la energía del combustible en energía térmica, calentando el agua de sus tanques y produciendo vapor. Este vapor se utiliza en diversos procesos industriales, como el calentamiento y la pasteurización, en las fábricas de productos lácteos. Para satisfacer dicha demanda, existen diferentes tipos de calderas industriales, tales como:

• Tubos de fuego: Se caracterizan por una configuración en la que los gases emitidos pasan a través de los tubos, mientras que el agua permanece en tubos. Son ideales para la generación de vapor de hasta 30 toneladas/h y son conocidos por su rápida adaptabilidad a la cambiante demanda de vapor. También son capaces de utilizar varios tipos de combustibles, incluida la biomasa;
• Tubos de agua: En este caso, el agua circula por el interior de las tuberías, mientras que los gases resultantes de la combustión se encuentran en el exterior. También se utilizan para la generación de electricidad, debido a su capacidad para soportar altas presiones y generar grandes cantidades de vapor.
• Recuperación de calor: Están diseñados para aprovechar el calor residual de procesos industriales como turbinas, motores y hornos. Este calor genera vapor, que se puede aplicar en la calefacción industrial, por ejemplo.

Cómo impactan las emisiones de gases en el proceso de producción

Como se mencionó anteriormente, la caldera es un equipo presente en casi todos los sectores de la industria manufacturera. Debido a su uso intensivo, su enfoque está en mejorar la eficiencia de las calderas mediante el uso de fuentes de combustible renovables , como la biomasa. Estas fuentes emiten menos gases de efecto invernadero y reducen la huella de carbono en las industrias. Además, tienen mayor disponibilidad y bajo costo, ya que los residuos agrícolas se generan de forma natural como parte del proceso de producción.

La reducción de las emisiones de gases es indispensable, ya que impactan en los productos de diferentes maneras, tales como:

• Industria alimentaria: Aquí, la calidad del vapor generado por la caldera es fundamental. Los gases contaminantes como el nitrógeno (N) y el dióxido de azufre (SO2) afectan la pureza del vapor, comprometiendo la seguridad y la calidad de los alimentos procesados;
• Industria de bebidas: Los contaminantes pueden cambiar el sabor y la calidad de las bebidas, así como no cumplir con los estándares de seguridad alimentaria;
• Sector textil: En los procesos de teñido de tejidos, los gases emitidos pueden provocar manchas o cambios de colores indeseados;
• Celulosa y Papel: Influyen en la eficiencia del proceso de secado y en la calidad final del papel;
• Químicos: La presencia de gases contaminantes interfiere con las reacciones químicas, dando como resultado productos de baja calidad o incluso peligrosos;
• Farmacéutica: La esterilización de equipos y la producción de medicamentos requieren vapor puro. Los gases contaminantes pueden incluso afectar a la eficacia de los medicamentos;
• Industria metalúrgica: Los gases ácidos como el dióxido de azufre (SO2) causan corrosión en los equipos metálicos y afectan la pureza de los metales durante la fundición;

¿Cómo se realiza el análisis de las emisiones de gases en una caldera?

Debido a su influencia tanto en la productividad como en la calidad del producto, las industrias buscan medir con precisión las cantidades y los tipos de gases emitidos por las calderas.  Para ello, el primer paso es la instalación de analizadores de gases, siendo los infrarrojos (IR) y la espectrometría de masas (SM) los más utilizados. Después de eso, tecnologías como el hardware ST-One® estos sensores y almacenan la información recopilada en una base de datos. Al medir la composición de los gases en tiempo real, es posible explorar el análisis de datos y obtener nuevos conocimientos para mejorar el rendimiento de las calderas. El último paso es realizar los ajustes necesarios  en las calderas.

Cada tipo de gas identificado durante el funcionamiento de la caldera indica algo sobre el proceso de producción. Los niveles inadecuados de oxígeno (O2) ayudan a determinar si hay exceso o falta de aire en la combustión o problemas en la mezcla de combustible y aire. El dióxido de carbono (CO2) está relacionado con la cantidad de combustible quemado, los altos niveles de este gas indican que la combustión fue completa. El monóxido de carbono (CO) indica la eficiencia de la producción, ya que es un subproducto peligroso de la combustión incompleta. Los óxidos de nitrógeno (NOX) son contaminantes significativos, por lo que su medición es importante para evaluar el impacto ambiental. Por último, el dióxido de azufre (SO2) es relevante en calderas que utilizan combustibles fósiles, su alta presencia indica el uso de combustible de baja calidad.

El impacto de cada gas de efecto invernadero se mide a través del Potencial de Calentamiento Global (GWP). Compara la capacidad de retención de calor de un gas con la del dióxido de carbono durante un período específico. En las industrias, esto se divide en tres categorías: Alcance 1 (producido directamente por la empresa), Alcance 2 (generado por energía y otros recursos), Alcance 3 (resultante de fuentes indirectas en la cadena de suministro).

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Tipos de análisis de emisiones de gases de caldera

La recopilación de datos enfocada a la emisión de gases en una caldera permite varios tipos de análisis, tales como:

• Eficiencia energética: Se puede realizar de dos maneras: (I) El método directo contabiliza los flujos de energía que entran y salen de la caldera, basado en la fórmula Eficiencia = (Energía Total Suministrada / Energía Útil Producida) X 100. El método indirecto (II) (o método de “pérdida”) calcula la eficiencia considerando todas las pérdidas de energía, como el calor perdido por los gases de escape, las pérdidas por radiación, etc. Su fórmula involucra todas las pérdidas para determinar la eficiencia real.
• Mantenimiento predictivo: Mantenimiento programado, sin entorpecer el flujo de la línea de producción. Esto se debe al análisis de los principales indicadores de la caldera. Por ejemplo, si hay un aumento en los niveles de CO, este análisis puede investigar si esto se debe a una combustión incompleta o a un problema con el suministro de aire;
• Análisis de cumplimiento: compara los datos de emisiones con los límites regulatorios para asegurar que la operación está dentro de los estándares legales. Esto evita multas y contribuye al desarrollo sostenible;
• Análisis de gases de escape: Mide la composición de los gases de escape para detectar niveles de contaminantes. Ayuda a identificar problemas de combustión y la necesidad de ajustes o mantenimiento.
• Análisis de combustión: Monitoriza la eficiencia de la combustión e identifica la presencia de gases contaminantes como el CO y el NOX. Permite ajustes en la relación aire-combustible, control de la temperatura de la llama, entre otros;
• Termografía: Detecta puntos calientes o puede indicar problemas de aislamiento o transferencias de calor ineficientes. Esto se traduce en mejoras en el aislamiento, lo que reduce la cantidad de combustible y, en consecuencia, la emisión de gases.

¿Por qué la industria manufacturera debe monitorear las emisiones de gases?

Uno de los mayores beneficios del análisis de emisiones de gases es el aumento de la productividad. Esto se debe a que es posible utilizar solo la cantidad necesaria de combustible para la combustión, realizar ajustes en la maquinaria y aumentar la calidad del vapor producido.

Además de la cuestión operativa, la preocupación de la industria también radica en las cuestiones ESG. En 1994, la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climáticoy estableció metas para estabilizar la concentración de gases de efecto invernadero en el mundo. El objetivo de esta acción fue reducir el cambio climático, lo que llevó a la creación del Inventario de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). Este inventario recopila datos de emisiones directas e indirectas, así como esfuerzos para equilibrar la producción. Ayuda a informar la toma de decisiones sobre el uso de GEI, identificar tendencias y oportunidades futuras, y es obligatorio.

Lo ideal es que este documento sea elaborado anualmente por la industria manufacturera. Además, debe seguir los estándares establecidos por el Protocolo de GEI. Los pasos que se deben seguir para elaborar este inventario son:

• Definir límites: se divide en organizacional (delimitación de sectores y filiales incluidos en el documento) y operativo (actividades, procesos y servicios).
• Definir ámbitos: categorizados entre Ámbito 1, 2 y 3, como se ha explicado anteriormente.
• Definir el periodo: este suele abarcar 1 año de operación, pero se puede dividir en periodos más pequeños, como trimestres y semestres.
• Recopilar información: mapear la información disponible para calcular las emisiones, lo que se puede hacer con la ayuda de tecnologías disruptivas como la solución ST-One™.
• Definir los siguientes pasos: es importante planificar las acciones en función de los resultados encontrados. Un ejemplo de ello es la redefinición de estrategias, como la implementación de un nuevo flujo de disposición de residuos;

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Ciencia de datos y reducción de gases de efecto invernadero

Según el Boston Consulting Group (2023), el uso de la Ciencia de Datos tiene el potencial de evitar la emisión de 2,6 a 5,3 gigatoneladas de CO2. En un contexto global, esto representa una reducción del 5% al 10% de las emisiones previstas por el Acuerdo de París.

Además, es un aliado importante para aspectos relacionados con ESG (Environmental, Social and Governance). En la parte ambiental, además de reducir los gases contaminantes, optimiza el uso de los recursos naturales, como el agua y la energía. También ayuda en la implementación de sistemas de logística inversa, facilitando la reutilización de materiales e impactando en la reducción de costos.

En el aspecto social, el uso de esta tecnología para reducir contaminantes mejora la salud y la seguridad de los empleados y las comunidades cercanas a las fábricas. Esto demuestra un compromiso con el bienestar social.

Por último, en materia de gobernanza, el seguimiento de las emisiones demuestra transparencia, lo que mejora la reputación del sector y aumenta la confianza de los inversores. Además, es capaz de identificar riesgos operacionales.

En resumen, el análisis de emisiones de calderas es beneficioso para las industrias de muchas maneras. La ciencia de datos permite identificar los diferentes gases producidos y el análisis de sus niveles para descubrir puntos de mejora en la caldera. A partir de esto, la industria puede actuar para aumentar la productividad, además de cumplir con las leyes de protección ambiental. Conoce más sobre nosostros.