Introducción

Una visión general de las regulaciones de calderas, con una evaluación de tipos de combustible y comparaciones.

Este Bloque de la Sala de Calderas del Circuito de Vapor y Condensado se concentrará en el diseño y contenidos de la sala de calderas, y las aplicaciones dentro de ella. Una sala de calderas bien diseñada, operada y mantenida es el corazón de una planta de vapor eficiente.

Sin embargo, una serie de obstáculos pueden impedir este ideal. La sala de calderas y sus contenidos a veces se ven como poco más que una molestia necesaria e incluso en el entorno actual consciente de la energía, la medición precisa del flujo de vapor y la asignación correcta de costos a los diversos usuarios no es universal. Esto puede significar que las mejoras de eficiencia y proyectos de ahorro de costos relacionados con la sala de calderas pueden ser difíciles de justificar al usuario final. En muchos casos, la sala de calderas y la disponibilidad de vapor son responsabilidad del Gerente de Ingeniería, en consecuencia cualquier problema de eficiencia se ve como suyo. Es importante recordar que la caldera de vapor es un recipiente a presión que contiene agua escaldante a más de 100°C, y su diseño y operación están cubiertos por una serie de normas y regulaciones complejas.

Por las razones enumeradas anteriormente, el usuario debe confirmar la legislación nacional, local y vigente.

El objetivo de este Módulo es proporcionar al diseñador, operador y mantenedor de la sala de calderas una visión de las consideraciones requeridas en el desarrollo de la caldera y su equipo asociado. Las calderas de vapor modernas vienen en todos los tamaños para adaptarse tanto a aplicaciones grandes como pequeñas. Generalmente, cuando se necesita más de una caldera para satisfacer la demanda, se vuelve económicamente viable alojar la planta de calderas en una ubicación centralizada, ya que los costos de instalación y operación pueden ser significativamente menores que con plantas descentralizadas. Por ejemplo, la centralización ofrece los siguientes beneficios sobre el uso de calderas dispersas y más pequeñas:

• Más opciones de combustible y tarifa.
• Calderas idénticas se usan frecuentemente en salas de calderas centralizadas reduciendo repuestos, inventario y costos.
• La recuperación de calor es fácil de implementar para mejores retornos.
• Una reducción en la supervisión manual libera mano de obra para otras tareas en sitio.
• Dimensionamiento económico de la planta de calderas para adaptarse a la demanda diversificada.
• Las emisiones de escape son más fácilmente monitoreadas y controladas.
• Los protocolos de seguridad y eficiencia son más fácilmente monitoreados y controlados.

Combustible para calderas

Los tres tipos más comunes de combustible utilizados en calderas de vapor son carbón, aceite y gas. Sin embargo, los residuos industriales o comerciales también se usan en ciertas calderas, junto con electricidad para calderas de electrodos. Carbón El carbón es el término genérico dado a una familia de combustibles sólidos con alto contenido de carbono. Hay varios tipos de carbón dentro de esta familia, cada uno relacionado con las etapas de formación del carbón y la cantidad de contenido de carbono. Estas etapas son:

• Turba.
• Lignito o carbones marrones.
• Bituminoso.
• Semi bituminoso.
• Antracita. Los tipos bituminosos y antracita tienden a usarse como combustible de caldera. En el Reino Unido, el uso de carbón en grano para alimentar calderas de carcasa está en declive. Hay una serie de razones para esto incluyendo: Disponibilidad y costo - Con muchas vetas de carbón agotándose, se producen menores cantidades de carbón en el Reino Unido que anteriormente, y se debe esperar que su declive continúe. Velocidad de respuesta a cambios de carga - Con carbón en grano, hay un retardo sustancial de tiempo entre:
• La demanda de calor ocurriendo.
• La alimentación de carbón a la caldera.
• La ignición del carbón.
• El vapor siendo generado para satisfacer la demanda. Para superar este retraso, las calderas diseñadas para combustión de carbón necesitan contener más agua a temperatura de saturación para proporcionar la reserva de energía para cubrir este retardo de tiempo. Esto, a su vez, significa que las calderas son más grandes, y por lo tanto más caras en costo de compra, y ocupan más valioso espacio de fabricación de productos. Ceniza - Se produce ceniza cuando se quema el carbón. La ceniza puede ser difícil de remover, usualmente involucrando intervención manual y una reducción en la cantidad de vapor disponible mientras la desincineración tiene lugar. La ceniza debe entonces disponerse, lo cual en sí mismo puede ser costoso. Equipo de alimentación - Existen una serie de disposiciones diferentes incluyendo alimentadores escalonados, rociadores y alimentadores de parrilla de cadena. El tema común es que todos necesitan mantenimiento sustancial. Emisiones - El carbón contiene un promedio de 1,5% de azufre (S) en peso, pero este nivel puede ser tan alto como 3% dependiendo de dónde se extrajo el carbón. Durante el proceso de combustión:
• El azufre se combinará con oxígeno (O2) del aire para formar SO2 o SO3.
• El hidrógeno (H) del combustible se combinará con oxígeno (O2) del aire para formar agua (H2O). Después de que el proceso de combustión se completa, el SO3 se combinará con el agua (H2O) para producir ácido sulfúrico (H2SO4), que puede condensarse en la chimenea causando corrosión si no se mantienen las temperaturas correctas de la chimenea. Alternativamente, es transportado a la atmósfera con los gases de combustión. Este ácido sulfúrico es traído de vuelta a la tierra con la lluvia, causando:
• Daño a la fábrica de los edificios.
• Malestar y daño a las plantas y vegetación. La ceniza producida por el carbón es ligera, y una proporción inevitablemente será transportada con los gases de escape, hacia la chimenea y expulsada como materia particulada al medio ambiente. El carbón, sin embargo, todavía se usa para alimentar muchas de las calderas de tubos de agua muy grandes encontradas en centrales eléctricas. Debido a la gran escala de estas operaciones, se vuelve económico desarrollar soluciones a los problemas mencionados anteriormente, y también puede haber presión gubernamental para usar combustibles producidos internamente, para la seguridad nacional del suministro eléctrico.
• El carbón usado en centrales eléctricas se muele hasta un polvo muy fino, generalmente llamado ‘combustible pulverizado’, y generalmente abreviado como ‘pf’.
• El pequeño tamaño de partícula del pf significa que su relación superficie-volumen está muy aumentada, haciendo la combustión muy rápida, y superando el problema de tasa de respuesta encontrado al usar carbón en grano.
• El pequeño tamaño de partícula también significa que el pf fluye muy fácilmente, casi como un líquido, y se introduce en el horno de la caldera a través de quemadores, eliminando los alimentadores usados con carbón en grano.
• Para aumentar aún más la flexibilidad y modulación de la caldera, puede haber 30+ quemadores de pf alrededor de las paredes y techo de la caldera, cada uno de los cuales puede controlarse independientemente para aumentar o disminuir el calor en un área particular del horno. Por ejemplo, para controlar la temperatura del vapor que sale del recalentador. Con respecto a la calidad de los gases liberados a la atmósfera:
• Los gases de la caldera se dirigirán a través de un precipitador electrostático donde las placas cargadas eléctricamente atraen ceniza y otras partículas, removiéndolas del flujo de gas.
• El material sulfuroso se removerá en un lavador de gas.
• La emisión final al medio ambiente es de alta calidad. Aproximadamente 8 kg de vapor pueden producirse quemando 1 kg de carbón. Aceite El aceite para combustible de caldera se crea del residuo producido del petróleo crudo después de haber sido destilado para producir aceites más ligeros como gasolina, parafina, queroseno, diesel o gas oil. Varios grados están disponibles, cada uno siendo adecuado para diferentes capacidades de caldera; los grados son los siguientes:
• Clase D - Diesel o gas oil.
• Clase E - Aceite combustible ligero.
• Clase F - Aceite combustible medio.
• Clase G - Aceite combustible pesado. El aceite comenzó a desafiar al carbón como el combustible preferido de caldera en el Reino Unido durante la década de 1950. Esto ocurrió en parte por el patrocinio del entonces Ministerio de Combustible y Energía de la investigación para mejorar la planta de calderas. Las ventajas del aceite sobre el carbón incluyen:
• Un tiempo de respuesta más corto entre la demanda y la cantidad requerida de vapor siendo generada.
• Esto significó que menos energía tenía que almacenarse en el agua de la caldera. La caldera podía por lo tanto ser más pequeña, irradiando menos calor al ambiente, con una consecuente mejora en la eficiencia.
• El tamaño más pequeño también significó que la caldera ocupaba menos espacio de producción.
• Se eliminaron los alimentadores mecánicos, reduciendo la carga de mantenimiento.
• El aceite contiene solo trazas de ceniza, virtualmente eliminando el problema del manejo y disposición de la ceniza.
• Se eliminaron las dificultades encontradas con la recepción, almacenamiento y manejo del carbón. Aproximadamente 15 kg de vapor pueden producirse de 1 kg de aceite, o 14 kg de vapor de 1 litro de aceite. Gas El gas es una forma de combustible de caldera que es fácil de quemar, con muy poco aire excedente. Los gases combustibles están disponibles en dos formas diferentes:
• Gas natural - Este es el gas que se ha producido (naturalmente) bajo tierra. Se usa en su estado natural, (excepto por la eliminación de impurezas), y contiene una alta proporción de metano.
• Gases licuados de petróleo (GLP) - Estos son gases que se producen del refinado de petróleo y luego se almacenan bajo presión en estado líquido hasta su uso. Las formas más comunes de GLP son propano y butano. A finales de la década de 1960 la disponibilidad de gas natural (como el del Mar del Norte) llevó a más desarrollos en calderas. Las ventajas de la combustión de gas sobre la combustión de aceite incluyen:
• El almacenamiento de combustible no es un problema; el gas se conduce directamente a la sala de calderas.
• Solo una traza de azufre está presente en el gas natural, lo que significa que la cantidad de ácido sulfúrico en el gas de combustión es virtualmente cero. Aproximadamente 42 kg de vapor pueden producirse de 1 Term de gas (equivalente a 105,5 MJ) para una caldera de 10 bar g, con una eficiencia operativa total del 80%. Residuos como combustible principal Hay dos aspectos en esto: Material de desecho - Aquí, los residuos se queman para producir calor, que se usa para generar vapor. Los motivos pueden incluir la disposición segura y adecuada de material peligroso. Un hospital sería un buen ejemplo:
• En estas circunstancias, puede ser que la combustión adecuada y completa del material de desecho sea difícil, requiriendo quemadores sofisticados, control de relaciones de aire y monitoreo de emisiones, especialmente material particulado. El costo de esta disposición puede ser alto, y solo parte del costo se recupera usando el calor generado para producir vapor. Sin embargo, la economía general del esquema, considerando el costo de disponer los residuos por otros medios, puede ser atractiva.
• Usar residuos como combustible puede involucrar la utilización económica de los residuos combustibles de un proceso. Los ejemplos incluyen la corteza removida de la madera en plantas de papel, tallos (bagazo) en plantas de caña de azúcar y a veces incluso basura de una granja de pollos. El proceso de combustión será de nuevo bastante sofisticado, pero la economía general del costo de disposición de residuos y generación de vapor para otras aplicaciones en sitio, puede hacer tales esquemas atractivos. Calor residual - aquí, los gases calientes de un proceso, como un horno de fundición, pueden dirigirse a través de una caldera con el objetivo de mejorar la eficiencia de la planta. Los sistemas de este tipo varían en su nivel de sofisticación dependiendo de la demanda de vapor dentro de la planta. Si no hay demanda de proceso para el vapor, el vapor puede sobrecalentarse y luego usarse para generación eléctrica. Este tipo de tecnología se está volviendo popular en plantas de Cogeneración de Calor y Energía (CHP):
• Una turbina de gas impulsa un alternador para producir electricidad.
• Los gases de escape calientes (típicamente 500 °C) de la turbina se dirigen a una caldera, que produce vapor saturado para uso en la planta. Se pueden lograr eficiencias muy altas con este tipo de planta. Otros beneficios pueden incluir ya sea seguridad del suministro eléctrico en sitio, o la capacidad de vender la electricidad a un precio premium al proveedor nacional de electricidad.

Seguridad del suministro

¿Cuáles son las consecuencias de no tener vapor disponible para la planta? El gas, por ejemplo, puede estar disponible a tarifas ventajosas, siempre que se pueda aceptar un suministro interrumpible. Esto significa que la compañía de gas suministrará combustible mientras tengan un excedente. Sin embargo, si la demanda de combustible se acerca a los límites de suministro, quizás debido a variación estacional, entonces el suministro puede cortarse, quizás con muy corto aviso. Como alternativa, los usuarios de calderas pueden elegir especificar quemadores de combustible dual que pueden alimentarse con gas cuando esté disponible a la tarifa más baja, pero tengan la facilidad de cambiar a combustión de aceite cuando el gas no esté disponible. La facilidad de combustible dual es obviamente una opción de capital más cara, y la probabilidad de que el gas no esté disponible puede ser pequeña. Sin embargo, el costo del tiempo de inactividad de la planta debido a la no disponibilidad del vapor es generalmente significativamente mayor que el costo adicional.

Almacenamiento de combustible

Este no es un problema cuando se usa un suministro de gas de red, excepto donde se usa un sistema de combustible dual. Sin embargo, se vuelve progresivamente más problemático si se usan gas envasado, aceites ligeros, aceites pesados y combustibles sólidos. Los problemas incluyen:

• Cuánto se va a almacenar, y dónde.
• Cómo almacenar de manera segura materiales altamente combustibles.
• Cuánto cuesta mantener la temperatura de los aceites pesados para que estén a una viscosidad adecuada para el equipo.
• Cómo medir con precisión la tasa de uso del combustible.
• Provisión para pérdidas de almacenamiento.

Diseño de la caldera

El fabricante de la caldera debe ser consciente del combustible a usar al diseñar una caldera. Esto se debe a que diferentes combustibles producen diferentes temperaturas de llama y características de combustión. Por ejemplo:

• El aceite produce una llama luminosa, y una gran proporción del calor se transfiere por radiación dentro del horno.
• El gas produce una llama azul transparente, y una menor proporción de calor se transfiere por radiación dentro del horno. En una caldera diseñada solo para uso con aceite, un cambio de combustible a gas puede resultar en gases de mayor temperatura entrando en el primer pase de tubos de fuego, causando esfuerzos térmicos adicionales, y llevando a una falla temprana de la caldera.

Tipos de calderas

Los objetivos de una caldera son:

• Liberar la energía en el combustible de la manera más eficiente posible.
• Transferir la energía liberada al agua, y generar vapor de la manera más eficiente posible.
• Separar el vapor del agua listo para exportación a la planta, donde la energía puede transferirse al proceso de la manera más eficiente posible. Se han desarrollado una serie de tipos diferentes de calderas para adaptarse a las diversas aplicaciones de vapor.