Eficiencia de la Caldera y Combustión

Una amplia visión general del proceso de combustión, incluyendo tipos y controles de quemadores, y rendimiento y pérdidas de calor.

Este Módulo está destinado a proporcionar una visión general muy amplia del proceso de combustión, que es un componente esencial de la eficiencia general de la caldera. Los lectores que requieran un conocimiento más profundo son dirigidos a libros de texto especializados y fabricantes de quemadores. La eficiencia de la caldera simplemente relaciona la energía de salida con la energía de entrada, generalmente en términos porcentuales: ‘Calor exportado en vapor’ y ‘Calor proporcionado por el combustible’ se tratan con más detalle en las dos secciones siguientes.

Calor proporcionado por el combustible

Poder calorífico Este valor puede expresarse de dos maneras: poder calorífico ‘superior’ o ‘inferior’. Poder calorífico superior Este es el total teórico de la energía en el combustible. Sin embargo, todos los combustibles comunes contienen hidrógeno, que se quema con oxígeno para formar agua, que sube por la chimenea como vapor. El poder calorífico superior del combustible incluye la energía utilizada en la evaporación de esta agua. Los gases de combustión en las plantas de calderas de vapor no se condensan, por lo tanto la cantidad real de calor disponible para la planta de calderas se reduce. El control preciso de la cantidad de aire es esencial para la eficiencia de la caldera:

• Demasiado aire enfriará el horno y se llevará el calor útil.
• Demasiado poco aire y la combustión será incompleta, el combustible no quemado se arrastrará y se puede producir humo. Poder calorífico inferior Este es el poder calorífico del combustible, excluyendo la energía en el vapor descargado a la chimenea, y es la cifra generalmente utilizada para calcular las eficiencias de la caldera. En términos generales: El control preciso de la cantidad de aire es esencial para la eficiencia de la caldera:
• Demasiado aire enfriará el horno y se llevará el calor útil.
• Demasiado poco aire y la combustión será incompleta, el combustible no quemado se arrastrará y se puede producir humo. En la práctica, sin embargo, hay una serie de dificultades para lograr una combustión perfecta (estequiométrica):
• Las condiciones alrededor del quemador no serán perfectas, y es imposible asegurar la coincidencia completa de moléculas de carbono, hidrógeno y oxígeno.
• Algunas de las moléculas de oxígeno se combinarán con moléculas de nitrógeno para formar óxidos de nitrógeno (NOx). Para asegurar la combustión completa, se necesita proporcionar una cantidad de ‘aire excedente’. Esto tiene un efecto en la eficiencia de la caldera. El control de la relación de mezcla aire/combustible en muchas plantas de calderas pequeñas existentes es de ‘bucle abierto’. Es decir, el quemador tendrá una serie de levas y palancas que han sido calibradas para proporcionar cantidades específicas de aire para una tara particular de disparo. Claramente, al ser elementos mecánicos, estos se desgastarán y a veces requerirán calibración. Por lo tanto, deben ser regularmente mantenidos y calibrados. En plantas más grandes, se pueden instalar sistemas de ‘bucle cerrado’ que utilizan sensores de oxígeno en la chimenea para controlar las compuertas de aire de combustión. Las fugas de aire en la cámara de combustión de la caldera tendrán un efecto adverso en el control preciso de la combustión.

Legislación

Actualmente, existe un compromiso global con un Programa de Cambio Climático, y 160 países han firmado el Acuerdo de Kioto de 1997. Estos países acordaron tomar acciones positivas e individuales para:

• Reducir la emisión de gases nocivos a la atmósfera - Aunque el dióxido de carbono (CO2) es el menos potente de los gases cubiertos por el acuerdo, es con diferencia el más común, y representa aproximadamente el 80% del total de emisiones de gases a reducir.
• Realizar reducciones anuales cuantificables en el combustible utilizado - Esto puede tomar la forma de usar fuentes de energía alternativas no contaminantes, o usar los mismos combustibles de manera más eficiente. En el Reino Unido, el compromiso se conoce como ‘La Estrategia Nacional de Calidad del Aire del Reino Unido’, y esto está teniendo efecto a través de una serie de leyes y regulaciones. Otros países tendrán estrategias similares.

Tecnología

La presión de la legislación sobre la contaminación, y de los usuarios de calderas sobre la economía, más el poder del microchip, han avanzado considerablemente el diseño tanto de las cámaras de combustión de las calderas como de los quemadores. Las calderas modernas con los últimos quemadores pueden tener:

• Gases de combustión recirculados para asegurar una combustión óptima, con un mínimo de aire excedente.
• Sistemas de control electrónico sofisticados que monitorean todos los componentes del gas de combustión, y realizan ajustes en los flujos de combustible y aire para mantener las condiciones dentro de parámetros especificados.
• Relaciones de modulación (la relación entre las taras máxima y mínima de disparo) muy mejoradas que permiten que los parámetros de eficiencia y emisión se satisfagan sobre una mayor gama de operación.

Pérdidas de calor

Habiendo discutido la combustión en el horno de la caldera, y particularmente la importancia de las relaciones correctas de aire en relación con una combustión completa y eficiente, queda revisar otras fuentes potenciales de pérdida de calor e ineficiencia. Pérdidas de calor en los gases de combustión Esta es probablemente la mayor fuente individual de pérdida de calor, y el Gerente de Ingeniería puede reducir gran parte de la pérdida. Las pérdidas son atribuibles a la temperatura de los gases que salen del horno. Claramente, cuanto más calientes estén los gases en la chimenea, menos eficiente será la caldera. Los gases pueden estar demasiado calientes por una de dos razones:

1. El quemador está produciendo más calor del requerido para una carga específica en la caldera: Esto significa que los mecanismos del(os) quemador(es) y la compuerta requieren mantenimiento y recalibración.
2. Las superficies de transferencia de calor dentro de la caldera no están funcionando correctamente, y el calor no se está transfiriendo al agua: Esto significa que las superficies de transferencia de calor están contaminadas y requieren limpieza. Se necesita algo de cuidado aquí - Un enfriamiento excesivo de los gases de combustión puede resultar en temperaturas por debajo del ‘punto de rocío’ y el potencial de corrosión se incrementa por la formación de: Ácido nítrico (del nitrógeno del aire utilizado para la combustión). Ácido sulfúrico (si el combustible tiene contenido de azufre). Agua. Pérdidas por radiación Debido a que la caldera está más caliente que su entorno, algo de calor se transferirá al ambiente. El aislamiento dañado o mal instalado aumentará considerablemente las pérdidas potenciales de calor. Una caldera de carcasa o de tubos de agua razonablemente bien aislada de 5 MW o más perderá entre 0,3 y 0,5% de su energía al ambiente. Esto puede no parecer una cantidad grande, pero debe recordarse que esto es 0,3 a 0,5% de la capacidad nominal de carga completa de la caldera, y esta pérdida permanecerá constante, incluso si la caldera no está exportando vapor a la planta, y simplemente está en espera. Esto indica que para operar más eficientemente, una planta de calderas debe operar hacia su capacidad máxima. Esto, a su vez, puede requerir una estrecha cooperación entre el personal de la sala de calderas y los departamentos de producción.

Modulación del quemador

Una función importante de los quemadores es la modulación. Esto se expresa generalmente como una relación y se basa en la tara máxima de disparo dividida por la tara mínima controlable de disparo. La tasa de modulación no es simplemente una cuestión de forzar diferentes cantidades de combustible en una caldera, es cada vez más importante desde una perspectiva económica y legislativa que el quemador proporcione una combustión eficiente y adecuada, y satisfaga regulaciones de emisión cada vez más estrictas en toda su gama operativa. Como ya se ha mencionado, el carbón como combustible de caldera tiende a restringirse a aplicaciones especializadas como calderas de tubos de agua en centrales eléctricas.

Quemadores de aceite

La capacidad de quemar combustible oil eficientemente requiere una alta relación de superficie de combustible a volumen. La experiencia ha demostrado que las partículas de aceite en el rango de 20 y 40 μm son las más exitosas. Las partículas que son:

• Mayores de 40 μm tienden a ser arrastradas a través de la llama sin completar el proceso de combustión.
• Menores de 20 μm pueden viajar tan rápido que son arrastradas a través de la llama sin quemarse en absoluto. Un aspecto muy importante de la combustión de aceite es la viscosidad. La viscosidad del aceite varía con la temperatura: cuanto más caliente esté el aceite, más fácilmente fluye. De hecho, la mayoría de las personas son conscientes de que los combustibles pesados necesitan ser calentados para fluir libremente. Lo que no es tan obvio es que una variación en la temperatura, y por tanto en la viscosidad, tendrá un efecto en el tamaño de la partícula de aceite producida en la boquilla del quemador. Por esta razón, la temperatura necesita ser controlada con precisión para dar condiciones consistentes en la boquilla. Quemadores de chorro a presión Un quemador de chorro a presión es simplemente un orificio al final de un tubo presurizado. Típicamente la presión del combustible está en el rango de 7 a 15 bar. En el rango operativo, la caída de presión sustancial creada sobre el orificio cuando el combustible se descarga en el horno resulta en la atomización del combustible. Poner un pulgar sobre el extremo de una manguera de jardín crea el mismo efecto. Variar la presión del combustible inmediatamente antes del orificio (boquilla) controla el caudal de combustible del quemador. Si el caudal de combustible se reduce al 50%, la energía de atomización se reduce al 25%. Esto significa que la modulación disponible está limitada a aproximadamente 2:1 para una boquilla particular. Para superar esta limitación, los quemadores de chorro a presión se suministran con una gama de boquillas intercambiables para acomodar diferentes cargas de caldera. Ventajas de los quemadores de chorro a presión:
• Costo relativamente bajo.
• Simples de mantener. Desventajas de los quemadores de chorro a presión:
• Si las características operativas de la planta varían considerablemente durante el transcurso de un día, entonces la caldera deberá ser sacada de línea para cambiar la boquilla.
• Fácilmente bloqueados por residuos. Esto significa que son esenciales filtros de malla fina bien mantenidos.

Quemador de taza rotativa

El combustible se suministra por un tubo central y se descarga en la superficie interior de un cono que gira rápidamente. A medida que el combustible se mueve a lo largo de la taza (debido a la ausencia de una fuerza centrípeta), la película de aceite se vuelve progresivamente más delgada a medida que la circunferencia de la tapa aumenta. Eventualmente, el combustible se descarga desde el borde del cono como un rocío fino. Debido a que la atomización es producida por la taza rotativa, en lugar de por alguna función del combustible (por ejemplo, presión), la relación de modulación es mucho mayor que la del quemador de chorro a presión. Ventajas de los quemadores de taza rotativa:

• Robustos.
• Buena relación de modulación.
• La viscosidad del combustible es menos crítica. Desventajas de los quemadores de taza rotativa:
• Más costosos de comprar y mantener.

Quemadores de gas

Actualmente, el gas es probablemente el combustible más común utilizado en el Reino Unido. Al ser un gas, la atomización no es un problema, y la mezcla adecuada de gas con la cantidad apropiada de aire es todo lo que se requiere para la combustión. Se utilizan dos tipos de quemadores de gas: ‘baja presión’ y ‘alta presión’. Quemador de baja presión Estos operan a baja presión, generalmente entre 2,5 y 10 mbar. El quemador es un dispositivo Venturi simple con el gas introducido en la zona de la garganta, y el aire de combustión se aspira desde el exterior. La producción está limitada a aproximadamente 1 MW. Quemador de alta presión Estos operan a presiones más altas, generalmente entre 12 y 175 mbar, y pueden incluir varias boquillas para producir una forma de llama particular.

Quemadores de combustible dual

La atractiva tarifa de gas ‘interrumpible’ significa que es la elección de la gran mayoría de las organizaciones en el Reino Unido. Sin embargo, muchas de estas organizaciones necesitan continuar operando si el suministro de gas se interrumpe. La disposición habitual es tener un suministro de combustible disponible en sitio, y usarlo para alimentar la caldera cuando el gas no está disponible. Esto llevó al desarrollo de quemadores de ‘combustible dual’. Estos quemadores están diseñados con gas como combustible principal, pero tienen una facilidad adicional para quemar combustible. El aviso dado por la Compañía de Gas de que el suministro será interrumpido puede ser corto, por lo que el cambio a la combustión de combustible se realiza tan rápidamente como sea posible, siendo el procedimiento habitual:

• Aislar la línea de suministro de gas.
• Abrir la línea de suministro de combustible y encender la bomba de combustible.
• En el panel de control del quemador, seleccionar ‘combustión de aceite’. (Esto cambiará los ajustes de aire para el combustible diferente).
• Purgar y re-encender la caldera. Esta operación puede realizarse en un período bastante corto. En algunas organizaciones el cambio puede realizarse como parte de un ejercicio periódico para asegurar que los operadores están familiarizados con el procedimiento, y cualquier equipo necesario está disponible. Sin embargo, debido a que el combustible es solo de ‘reserva’, y probablemente solo se usa por períodos cortos, la facilidad de combustión de aceite puede ser básica. En plantas más sofisticadas, con plantas de calderas de alta potencia, el(los) quemador(es) de gas pueden ser retirados y sustituidos por quemadores de aceite.

Sistemas de control de quemadores

El lector debe ser consciente de que el sistema de control del quemador no puede verse de manera aislada. El quemador, el sistema de control del quemador, y el sistema de control de nivel deben ser compatibles y trabajar de manera complementaria para satisfacer las demandas de vapor de la planta de manera eficiente. Los siguientes párrafos describen de manera general los sistemas básicos de control de quemadores. Sistema de control encendido/apagado Este es el sistema de control más simple, y significa que el quemador está disparando a tara máxima, o está apagado. La principal desventaja de este método de control es que la caldera está sujeta a choques térmicos grandes y frecuentes cada vez que la caldera se enciende. Su uso debe por lo tanto limitarse a calderas pequeñas de hasta 500 kg/h. Ventajas de un sistema de control encendido/apagado:

• Simple.
• Menos costoso. Desventajas de un sistema de control encendido/apagado:
• Si una carga grande llega a la caldera justo después de que el quemador se ha apagado, la cantidad de vapor disponible se reduce. En los peores casos, esto puede llevar a que la caldera se cebre y se bloquee.
• Ciclos térmicos. Sistema de control alto/bajo/apagado Este es un sistema ligeramente más complejo donde el quemador tiene dos taras de disparo. El quemador opera primero a la tara de disparo más baja y luego cambia a disparo completo según sea necesario, superando así los peores efectos del choque térmico. El quemador también puede revertir a la posición de fuego bajo en cargas reducidas, limitando nuevamente los esfuerzos térmicos dentro de la caldera. Este tipo de sistema se instala generalmente en calderas con una producción de hasta 5 000 kg/h. Ventajas de un control alto/bajo/apagado:
• La caldera es mejor capaz de responder a cargas grandes ya que la posición de ‘fuego bajo’ asegurará que haya más energía almacenada en la caldera.
• Si la carga grande se aplica cuando el quemador está en ‘fuego bajo’, puede responder inmediatamente aumentando la tara a ‘fuego alto’, por ejemplo el ciclo de purga puede omitirse. Desventajas de un sistema de control alto/bajo/apagado:
• Más complejo que el control encendido/apagado.
• Más costoso que el control encendido/apagado. Sistema de control de modulación Un control de quemador de modulación alterará la tara de disparo para igualar la carga de la caldera en toda la relación de modulación. Cada vez que el quemador se apaga y se reinicia, el sistema debe ser purgado soplando aire frío a través de los pasajes de la caldera. Esto desperdicia energía y reduce la eficiencia. La modulación completa, sin embargo, significa que la caldera continúa disparando en todo el rango para maximizar la eficiencia térmica y minimizar los esfuerzos térmicos. Este tipo de control puede instalarse en calderas de cualquier tamaño, pero siempre debe instalarse en calderas con capacidad nominal superior a 10 000 kg/h. Ventajas de un sistema de control de modulación: La caldera es aún más capaz de tolerar cargas grandes y fluctuantes. Esto se debe a que:
• La presión de la caldera se mantiene en la parte superior de su banda de control, y el nivel de energía almacenada es el más alto.
• Si se necesita más energía a corto plazo, el sistema de control puede responder inmediatamente aumentando la tara de disparo, sin pausar para un ciclo de purga. Desventajas de un sistema de control de modulación:
• Más costoso.
• Más complejo.
• Se requieren quemadores con alta capacidad de modulación.