Diseño de un Sistema de Alimentación de Gas Natural Licuado para Equipos Mineros Mixtos GNL – Diesel

Abstract

El Gas Natural Licuado es utilizado para abastecer la demanda energética en todo el mundo. Este combustible ha sido estudiado no solo como generador de energía, sino como posible reemplazo de otros en la automoción, lo que permitiría disminuir emisiones y costos en combustible.

La implementación de motores mixtos implica toda una cadena relacionada con el GNL, desde su producción, transporte y aplicación. El presente proyecto se desarrollaría en una mina al norte de Colombia, donde se obtendría el GNL mediante importación o mediante la construcción de una planta de licuefacción. Esto implica no sólo un estudio de los sistemas de conversión de los motores, sino de toda la cadena, la cual se encuentra fuera de los alcances de este proyecto.

En dicha cadena, este proyecto se centra en el diseño del sistema de alimentación de GNL para un bulldozer, el método de diseño puede ser replicado para otros equipos teniendo en cuenta las restricciones de cada uno. El objetivo es garantizar la autonomía del equipo manteniendo un rendimiento equivalente al del motor Diésel.

Para determinar el consumo de GNL se analizó el ciclo de operación del bulldozer, estudiando los puntos en los que es factible reemplazar el Diesel. El sistema de alimentación consta de un tanque altamente aislado, el cual almacena GNL a temperaturas criogénicas, fue diseñado bajo los estándares ASME Boiler and Pressure Vessels y SAE Practices for LNG Powered Heavy-Duty Trucks, y fue verificado mediante simulaciones. Un intercambiador de calor vaporiza el GNL empleando el refrigerante del motor como fluido caliente. Una válvula de cierre automático permite que el GNL fluya hacia al motor cuando se requiera y un regulador controla su presión.

Estudios realizados por Caterpillar, demuestran 30% de ahorro en costos de combustible en camiones mineros que emplean esta tecnología, lo cual hace llamativo el estudio a profundidad de este proyecto y de toda la cadena que lo involucra.

Liquefied Natural Gas is used to supply energy demand worldwide. This fuel has been studied not only as an energy generator but as a possible replacement for others in the automotive industry, which would reduce fuel emissions and costs. The implementation of dual engines involves a whole chain related to LNG, from its production, transport, and application. This project would be developed in a mine in northern Colombia, where LNG would be obtained by importation or by building a liquefaction plant. This involves not only a study of the engine conversion systems but of the entire chain, which is outside the scope of this project. In such chain, this project focuses on the design of the LNG alimentation system for a bulldozer. The design method can be replicated for use on other equipment taking into consideration the restrictions of each one. The objective is to guarantee the autonomy of the equipment while keeping a performance that is equivalent to the Diesel engine. To determine the LNG consumption, the bulldozer's operating cycle was analyzed, studying the points where it is feasible to replace Diesel. The feed system consists of a highly insulated tank, which stores LNG at cryogenic temperatures, was designed under the ASME Boiler and Pressure Vessels and SAE LNG Practices for Powered Heavy-Duty Trucks standards and verified by simulations. A heat exchanger vaporizes the LNG using the engine coolant as hot fluid. An automatic shutoff valve allows LNG to flow into the engine when its required and a regulator controls its pressure. Studies carried out by Caterpillar show 30% savings in fuel costs in mining trucks that use this technology, which makes striking the in-depth study of this project and the entire chain that involves it.