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CAPÍTULO 4. SISTEMAS DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE VAPOR Introducción Pocas tecnologías han aportado tanto el desarrollo de la humanidad como la generación y utilización del vapor en procesos tecnológicos. Los antecedentes de su uso se remontan a épocas antes de nuestra era, y se dice que constituyó la chispa de la revolución industrial, momento a partir del cual se produce el desarrollo acelerado de la industria moderna de procesos. Los sistemas de vapor tienen hoy en día un uso muy extenso en aplicaciones diversas, tales como generación de energía mecánica y eléctrica, como agente calefactor en servicios comerciales e industriales, y como materia prima en determinados procesos entre otros. El vapor es utilizado de forma general como fuente de calor o para generar potencia mecánica. En las plantas térmicas el vapor se expande en una turbina, su energía es transformada en potencia mecánica, y esta a su vez en potencia eléctrica. En los procesos industriales el vapor es utilizado como fuente de calor para múltiples aplicaciones. En los sistemas de energía total, o esquemas de cogeneración, el vapor se utiliza para la producción combinada o secuencial de energía eléctrica y térmica, lo cual incrementa la eficiencia global del sistema. El elemento central en un sistema de vapor lo constituye el generador de vapor o caldera de vapor, en este el vapor tiene la función de transferir al agua, la energía en forma de calor de los gases producto de la combustión de la sustancia combustible, para que esta se convierta en vapor. El generador de vapor está constituido por un conjunto de superficies de calentamiento y equipos, integrados en un esquema tecnológico para generar y entregar vapor en la cantidad, con los parámetros, calidad y en el momento requerido por los equipos de uso final, en forma continua y operación económica y segura, a partir de la energía liberada en la combustión de un combustible orgánico. Hoy en día las calderas constituyen un elemento esencial en el funcionamiento de prácticamente todas las empresas industriales al proporcionar la potencia o el calor necesario para el proceso, dependiendo sus resultados productivos y económicos en gran medida de la confiabilidad, seguridad y eficiencia con que operen las calderas Recae, por tanto, sobre el personal de operación y supervisión del departamento de generación de vapor una gran responsabilidad que requiere del conocimiento y actualización continua en las técnicas y procedimientos para garantizar la estabilidad y seguridad en el suministro de vapor según los requerimientos del proceso, con el menor consumo de combustible, con el menor gasto y el mínimo impacto ambiental. Centro de Estudios de Energía

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Sistemas de vapor En las instalaciones industriales el vapor de agua se utiliza para diferentes fines, pero todos ellos pueden agruparse en tres servicios básicos, los que en muchos casos se presentan simultáneamente: • Como fuente de energía térmica. • Para producir potencia mecánica para ser utilizada directamente o bien para su conversión posterior en electricidad. • Como materia prima para el proceso. En los esquemas de cogeneración a vapor típicos de instalaciones industriales, el vapor se utiliza para la producción de potencia y además como fuente de energía térmica para el proceso. En este tipo de instalación el vapor de extracción o de escape de los motores primarios se envía al proceso para satisfacer los requerimientos de energía térmica del mismo, existiendo diversas alternativas para balancear la relación potencia/calor. Algunas plantas de cogeneración están interconectadas con la red del sistema eléctrico nacional lo que le permite entregar energía eléctrica cuando sobra y consumir de la red en los momentos que lo requiere. Esta operación interconectada permite balancear la relación calor electricidad sin necesidad de pasar vapor desde estaciones reductoras y aumenta la eficiencia energética de la planta. El agua como sustancia de trabajo Salvo en el caso en que el vapor se utiliza como materia prima para un proceso, en el resto de los casos el vapor actúa como un transportador de energía, trasladando la parte de la energía química liberada en la combustión del combustible desde el generador de vapor hasta los diferentes equipos de la instalación. ¿Cuáles son las razones del uso preferente del agua como fluido portador de calor sobre otros fluidos? Básicamente son tres las razones para ello: 1. La abundancia del agua 2. Su bajo costo. 3. Sus favorables propiedades, dentro de las que se pueden mencionar: • Alto calor específico • Alto calor latente • Relativamente baja viscosidad • Alto coeficiente pelicular de transferencia de calor • Alta temperatura de saturación a presiones relativamente bajas Centro de Estudios de Energía

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• Bajo consumo de potencia de bombeo • No es tóxica, ni inflamable, ni corrosiva ¿Cuáles son las características que diferencian las fases vapor y líquido? Un líquido se caracteriza por: • Ser prácticamente incompresible. • Tener un volumen determinado y adaptar su forma al recipiente que lo contiene. Un gas se caracteriza por: • Ser altamente compresible. Su volumen específico varía grandemente con la presión. • Expandirse o difundirse indefinidamente con las únicas limitaciones de las fuerzas gravitacionales o de las paredes del recipiente que lo contiene. Los vapores se encuentran en fase gaseosa, pero cerca de la condensación. Mientras mayor sea la temperatura del vapor por encima de la temperatura de saturación correspondiente a su presión, esto es su sobrecalentamiento, más se acercará su comportamiento al de un gas. ¿Por qué se emplea el agua en fase vapor en preferencia a la fase líquida? Las razones principales para ello son las siguientes: • El contenido energético del vapor es superior al del líquido a igualdad de masa, temperatura y presión. • El vapor se autotransporta sin necesidad de equipos de bombeo, aunque sobre la base de consumir parte de la energía aportada por el combustible para vencer la resistencia de las tuberías. • El vapor en condensación permite alcanzar mayores coeficientes de transferencia de calor y un mejor control de la temperatura en los procesos. • Resulta más fácil satisfacer demandas de energía térmica a diferentes temperaturas. Componentes de un sistema de vapor 1. Generador de vapor (caldera) y sus auxiliares 2. Tuberías de vapor 3. Válvulas de regulación 4. Equipos consumidores - Motores Primarios: Máquinas de Vapor, Turbinas - Equipos de Proceso: Intercambiadores, Evaporadores, Secadores, Reactores 5. Trampas de Vapor, sellos barométricos, controles de nivel. 6. Sistema de condensado: Tuberías, Tanques, Bombas Centro de Estudios de Energía

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7. Sistema de agua de alimentación: Tanques, Bomba, Calentadores 8. Sistema de tratamiento de agua 9. Instrumentación y sistemas de control. 4.1. Generadores de vapor. Clasificación La energía térmica para usos industriales se puede obtener a partir de varias fuentes, aunque en la mayoría de los casos, se obtiene a partir de la energía química liberada en forma de calor por los combustibles, al quemarse en los hogares de los generadores de vapor. De ahí la importancia que tiene la correcta explotación de estos equipos, logrando una operación óptima y eficiente. Un generador de vapor es un conjunto de equipos y agregados auxiliares, integrados en un esquema tecnológico con el objetivo de producir vapor a partir de agua de alimentación, para lo cual utilizan energía proveniente de una fuente de calor. La fuente de calor puede ser: • Combustión: Generadores de vapor convencionales. • Calor residual o gases de escape: Calderas recuperadoras. • Fisión nuclear: Generadores de vapor de centrales nucleares. Requerimientos que debe cumplir un generador de vapor. Un generador de vapor debe responder a los siguientes requerimientos: • Satisfacer demanda de vapor: flujo, presión, temperatura, calidad (producción de potencia, calor, requerimientos de proceso). • Eficiencia térmica: mantenerla en el rango de carga. • Confiabilidad: alta disponibilidad. • Costo: inicial, operación, mantenimiento y reparación. • Impacto ambiental: límites de emisiones. Clasificación de los generadores de vapor Los generadores de vapor pueden ser clasificados atendiendo a diversos criterios relacionados con sus parámetros y sus características constructivas y de operación. Los generadores de vapor pueden ser divididos en los siguientes grupos: De acuerdo con la disposición de los fluidos en los tubos. • De tubos de fuego (pirotubulares). Son generadores de vapor pequeños. En ellos los gases calientes (fuego) circulan por dentro de los tubos, mientras que el agua está por fuera. • De tubos de agua (acuotubulares). Son generadores de vapor medianos y grandes. En ellos el agua circula por dentro de los tubos mientras que los gases están por fuera. Centro de Estudios de Energía

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De acuerdo con el uso. • Estacionarios. Son aquellos que se instalan fijos en su lugar de operación y constituyen la inmensa mayoría. Ejemplos de ellos son las calderas de termoeléctricas y centrales azucareros. • Portátiles. Son equipos pequeños que permiten ser trasladados de lugar con facilidad, necesitándose para su reinstalación un mínimo de acondicionamiento. • Móviles. Son aquellos que se instalan en medios de transporte y que operan durante su movimiento. Ejemplos de ello son las calderas de locomotoras y las marinas. De acuerdo con el tamaño. • Pequeños. Son generadores de vapor de pequeñas producciones y operación a bajas presiones. Se instalan en empresas industriales pequeñas, tintorerías, hospitales, comedores, laboratorios, hoteles y pueden encontrarse también en centrales azucareros. Generalmente suministran vapor saturado. Producción: D < 20 000 kg/h. Presión: P < 2,0 MPa • Medianos. Tienen producciones de vapor intermedias al igual que sus presiones; pueden suministrar tanto vapor saturado como sobrecalentado. Se instalan en empresas industriales de importancia: centrales azucareros, fábricas de fertilizantes, papeleras, industrias textiles, etc. Producción: D = 20 000 – 100 000 kg/h. Presión: P = 1,0 – 6,0 MPa • Grandes. Son los de mayores producciones de vapor, lo suministran siempre sobrecalentado y en los máximos parámetros de presión y temperatura. Se instalan en las centrales termoeléctricas y en empresas grandes, pueden encontrarse en centrales azucareros. Reciben También el nombre de radiantes. Producción: D > 100 000 kg/h. Presión: P > 6 MPa De acuerdo con la forma y posición de los tubos. • De tubos rectos. En ellos toda la flusería está integrada por tubos rectos. Se subdividen en: horizontales y verticales, de acuerdo con la posición de los tubos. Son generadores de vapor pequeños y medianos. • De tubos curvos. La flusería está compuesta por tubos curvos con diferentes formas. Son generadores de vapor medianos y grandes. De acuerdo con el sistema de circulación de la sustancia de trabajo. • De circulación natural. En ellos la sustancia de trabajo se mueve por el principio del termosifón, como resultado de la diferencia de densidad entre el agua y la mezcla agua – vapor que se genera.

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• De circulación forzada. En ellos la sustancia de trabajo se mueve impulsada por equipos mecánicos (bombas de alta presión) pero mantienen el domo para la separación del agua y el vapor. • De circulación continua. En este caso también el agua es impulsada por una bomba pero en un circuito continuo donde ya no existe el domo. De acuerdo con el combustible. Esta clasificación está en función del combustible utilizado y en este caso las particularidades están más bien en el sistema de combustión (horno) que en la caldera en sí. • Generadores de vapor de combustible líquido. • Generadores de vapor de combustible sólido. • Generadores de vapor de combustible gaseoso. Calderas recuperadoras de calor. Las calderas recuperadoras de calor son aquellas que obtienen el calor para generar vapor de gases calientes de otro proceso, como puede ser por ejemplo un alto horno o una turbina de gas. De acuerdo con el tiro de los gases. • De tiro natural. • De tiro mecánico. • Hogar balanceado. • Hogar presurizado. 4.2. Descripción y principio de funcionamiento de las calderas pirotubulares. Las calderas pirotubulares producen vapor para la industria desde hace más de 150 años. Las primeras calderas construidas eran simples recipientes cilíndricos remachados y hermetizados con las correspondientes tuberías de suministro de agua y extracción de vapor, las cuales contaban con un calentamiento externo

por su parte inferior a partir de la combustión de carbón ó leña,

acumulándose en la parte superior de este recipiente el vapor generado. Con el tiempo se comprendió que si se incrementaba la superficie de transferencia de calor, se incrementaría su generación. Esto se hizo colocando tubos dentro del recipiente, por los cuales circulaban los gases calientes; de esta forma se originó la caldera de tubos de fuego. La construcción general de la caldera de tubos de fuego no es otra que un casco metálico de forma cilíndrica, en cuyos extremos se han colocado para su cierre, placas conocidas como espejos.

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Colocados dentro del cilindro y yendo de espejo a espejo están los tubos, los cuales se fijan mediante mandrilado o soldadura; por dentro de estos tubos circulan los gases calientes.

a)

b)

Figura 4.1. Caldera de tubos de fuego. Tipo HRT. a) Circulación de los gases.

b) Circulación

del agua. El desarrollo técnico trajo como consecuencias la necesidad de incrementar la presión de trabajo y alcanzar mayores capacidades, usando para su construcción materiales más resistentes como el acero. La

evolución

de las calderas de tubos de fuego estuvo marcada por la tendencia hacia la

disminución en el diámetro de los tubos de humo, buscando incrementar la velocidad de los gases y el área de transferencia de calor, haciendo la caldera más compacta. En sus inicios el fogón estaba colocado en la parte exterior de la caldera debajo de esta, de manera que la caldera recibía calor de la llama directa proveniente del fogón y los gases calientes mediante el uso de cámaras de inversión se hacían pasar a través de uno ó varios pases convectivos. Posteriormente surgió el diseño con el fogón integrado dentro del casco, formado por un tubo cilíndrico y liso, soportado en los espejos de la caldera, denominado caldera escocesa. La caldera Escocesa (véase la Fig. 4.2) es la caldera de tubos de fuego que se ha impuesto y en la actualidad es muy utilizada en pequeñas empresas industriales y centros donde se requiera la generación de pequeñas cantidades de vapor. Esta caldera es construida de forma compacta, de tal manera que para su puesta en servicio sólo se requiere la construcción de una simple cimentación y su interconexión con el sistema.

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Figura 4.2. Caldera Pirotubular tipo Escocesa Estas calderas tienen hoy su campo de aplicación en instalaciones de pequeña capacidad y presión, donde el vapor se utiliza como medio de calentamiento, debido a las siguientes ventajas: • Diseño simple y compacto. • Construcción tipo paquete producidas en fábrica. • Facilidades de montaje, instalación y operación. • Bajo costo inicial. • Aceptable eficiencia en su rango de aplicación. • Corto período de tiempo para el suministro y puesta en marcha. 4.3. Descripción y principios de funcionamiento de una caldera acuotubular de circulación natural. Las calderas de tubos de agua son generalmente medianas o grandes y están formadas por domos interconectados por tubos. Los tubos tienen la función de trasladar el agua a las zonas de absorción de calor y conducir la mezcla agua – vapor hacia el domo, por ello, constituyen las superficies de transferencia de calor. Los domos tienen la función de almacenar el agua y el vapor, y como no tienen que contener ninguna flusería, pueden hacerse de diámetros menores que los cascos de las calderas de tubos de fuego, lo que permite incrementar las presiones de trabajo. Los tubos, por ser de diámetros pequeños, resisten también altas presiones. La generación de vapor en las calderas de tubos de agua no se ve limitada, como en las de tubos de fuego, por la superficie de transferencia de calor, pues colocando mayor cantidad de tubos ésta Centro de Estudios de Energía

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puede incrementarse cuanto se desee, dentro de ciertos límites lógicos de diseño. Lo anterior permite que estas calderas logren grandes producciones de vapor. Las calderas de tubos de agua pueden operar con cualquier tipo de combustible ya que presentan gran flexibilidad para el diseño de sus hornos. La generación de vapor sobrecalentado en estas calderas es también fácil y por lo general lo suministran en dicho estado. Las características generales de las calderas de tubos de agua, en comparación con las de tubos de fuego, son las siguientes: • Son calderas medianas y grandes con producciones superiores a los 15 000 kg/h y presiones hasta cercanas a la crítica. Suministran por lo general vapor sobrecalentado. • Tienen poca capacidad de agua, por ello el nivel de agua les fluctúa con rapidez y tienen un arranque relativamente rápido. • El costo de la instalación es grande, llevan una importante obra estructural y refractaria. • Presentan una alta eficiencia. (generalmente: 80-92 %) • Las calderas de tubos de agua se utilizan ampliamente en las empresas industriales, centrales azucareros, textileras, refinerías, fábricas de papel, de fertilizantes y muchas otras.

Figura 4.3. Caldera industrial acuotubular para combustible líquido

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Fig. 4.4. Caldera RETAL para bagazo. Esquema general.

Circuito de combustible de una caldera acuotubular El combustible una vez preparado y con las características adecuadas para garantizar una buena combustión es suministrado al horno donde se produce la reacción química de la combustión. Circuito de aire Para que ocurra el proceso de combustión es necesaria la presencia de un comburente, que en el caso de los generadores de vapor es el aire, el cual puede precalentarse previamente para facilitar el proceso, este aire se suministra en exceso para lograr que exista suficiente oxígeno y garantizar una combustión completa. El aire es impulsado por los ventiladores de tiro forzado llega al calentador de aire y de ahí es suministrado al horno para la combustión. Los ventiladores de tiro forzado incluyen los ventiladores de aire primario y los de aire secundario. Circuito de gases Para mantener la combustión y lograr la transferencia del calor liberando en ella la sustancia de trabajo es necesario extraer los productos de combustión del horno, y luego hacerlos circular a través de las diferentes superficies de calentamiento. Esta corriente de los gases es originada por la diferencia de presiones entre el horno y el punto de escape de los gases de la caldera creada por el ventilador de tiro inducido y/o el tiro natural de la chimenea. El recorrido de los gases comienza en el horno, prosigue por la superficie evaporativa o superficie de caldera, el sobrecalentador, economizador y calentador de aire hasta llegar a la chimenea para ser

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descargados a la atmósfera. Durante todo su recorrido los gases transfieren su calor al agua, vapor y aire en cada uno de los equipos. Circuito de agua El agua es suministrada al generador de vapor por la bomba de agua de alimentar. El agua circula por el economizador, pasa al domo y pasa desde este por los tubos descendentes a los colectores inferiores o al domo inferior, de donde se alimentan las paredes de agua o los tubos ascendentes o evaporadores, en las cuales se forma la mezcla agua vapor. Esta mezcla se descarga en el domo que tiene como función separar el agua del vapor, el agua que no se convierte en vapor baja por los tubos descendentes conjuntamente con el agua de alimentación y se repite el ciclo. Circuito de vapor El vapor separado en el domo pasa al sobrecalentador donde se eleva la temperatura del vapor por encima de la temperatura de saturación correspondiente a la presión del domo, alcanzando los parámetros requeridos para el proceso. Superficies de calefacción Se definen como superficies de calefacción aquellas superficies de transferencia de calor, que son bañadas por los gases de la combustión de un lado y por el agua o vapor o aire por el otro, logrando el intercambio de calor entre los gases y las sustancias de trabajo. Las superficies de calentamiento están conformadas por regla general por haces de tubos, cuya forma y disposición dependen del diseño y capacidad de la caldera, así como de su presión de trabajo de acuerdo con esto se encuentran las siguientes disposiciones: Calderas de dos domos y mediana presión. El agua es calentada y evaporada no solo en las paredes de agua sino también en los tubos de calderas situados entre el domo superior e inferior, en las calderas de mediana presión la proporción de vapor utilizado en el calentamiento es comparativamente pequeña, menor del 20% de la cantidad total de calor recibido por la caldera del flujo de gases, la superficie del sobrecalentador es pequeña y el sobrecalentador está ubicado entre el banco de tubos evaporadores. Mediana presión y un solo domo. La superficie evaporadora principal está localizada en el horno en forma de paredes de agua mientras que el pequeño banco de tubos convectivos consiste en una distribución especial que forma la parte semirradiante de la caldera. Alta presión.

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Son construidas usualmente con un domo y no tiene banco de tubos convectivos, la superficie evaporativa está totalmente formada por las paredes de agua. Domo Su función es separar el agua del vapor, el vapor se acumula en la parte superior por diferencia de densidades y de aquí pasa a los sobrecalentadores. Posee equipos interiores llamados separadores que ayudan a la eficiente separación de la mezcla, a evitar arrastres de agua y a garantizar la calidad requerida del vapor. Paredes de agua Las paredes de agua o pantallas radiantes no son más que tubos que cubren la mayor parte de la superficie interior del horno, por dentro de los tubos circula el agua y por fuera los gases calientes y las llamas. En estas la transferencia de calor se efectúa principalmente por radiación. En el interior de estos tubos se forma la mezcla agua-vapor, que asciende por diferencia de densidades y se descarga al domo. Sobrecalentadores Tienen la función de lograr que el vapor alcance una temperatura superior a la de saturación. Con el sobrecalentamiento se persigue aumentar el rendimiento de los ciclos de producción de potencia a partir del vapor, disminuir la humedad en el escape de las turbinas de vapor y aumentar la cantidad de energía asociada a la unidad de masa, reduciéndose por tanto el tamaño de todos los equipos del sistema de vapor. El grado de sobrecalentamiento depende de los requerimientos del proceso. Existen diferentes tipos de sobrecalentadores pero en ellos siempre el vapor ira por el interior de los tubos y los gases por la parte exterior. De acuerdo a su disposición en la caldera pueden ser radiantes, semirradiantes y convectivos. Existen diversos factores que influyen en la temperatura del vapor sobrecalentado lo que provoca fluctuaciones en los valores de temperatura durante el funcionamiento de la caldera. Para garantizar la estabilidad en la temperatura del vapor sobrecalentado de acuerdo a los requerimientos de los equipos consumidores utilizan diversos métodos de control de la temperatura del vapor sobrecalentado. Uno de los más utilizados es el atemperamiento del vapor. Los atemperadores pueden ser de mezcla o de superficie. Existen otros métodos para la regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado como la recirculación de gases, el desvío de gases y la regulación de la liberación de calor en el horno.

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Equipos recuperativos Para aprovechar la mayor cantidad de calor posible en los gases de escape y aumentar la eficiencia de las calderas se acostumbra instalar equipos de recuperación de calor, siempre que los ahorros logrados por este concepto justifiquen los costos de instalación. Estos equipos permiten, además, aumentar la capacidad de la caldera. Si el combustible tiene un contenido significativo, el enfriamiento de los gases está limitado por la llamada temperatura de rocío para evitar la corrosión de las superficies de calentamiento de baja temperatura. Economizador. Tiene como función incrementar la temperatura del agua de alimentar hasta una temperatura inferior a la de saturación (existen también economizadores evaporativos). Calentador de Aire. Incrementa la temperatura del aire para la combustión lo que, además de reducir la temperatura de los gases de salida, incrementa la eficiencia de la combustión. Circulación del agua La circulación del agua y la mezcla agua-vapor en una caldera de circulación natural se origina debido a la diferencia de densidades entre el agua y el vapor. La fuerza motriz que produce la circulación en este tipo de calderas se calcula por la siguiente expresión:

Pm = hev ⋅ (γ l − γ m )

(4.1)

Donde: Pm - carga motriz, kg/m2 hev- altura del tramo evaporador, m. γl - peso específico del líquido saturado, kg/m3. γm - peso específico de la mezcla, kg/m3. Una correcta circulación del agua en las superficies evaporativas de la caldera favorece una eficiente transmisión de calor, pero sobre todo garantiza el enfriamiento de los tubos y por tanto, la seguridad de la caldera. Circulación de los gases La circulación de los gases producto de la combustión a través de las superficies de calentamiento se logra mediante el sistema de tiro, el cual puede ser de tiro natural o de tiro mecánico. El tiro natural es aquel que crea la chimenea sin que intervenga algún equipo mecánico, este tiro teórico se expresa por la siguiente expresión:

∆P = Pe − Pi Centro de Estudios de Energía

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Donde: Pe - presión en el exterior a la altura de la base de la chimenea. Pi - presión en el interior a la altura de la base de la chimenea. Sustituyendo los valores de presión la ecuación a utilizar es la siguiente:

(

∆P = Z ρ a − ρ g

)

Donde: Z - altura de la chimenea m. ρa - densidad del aire kg/m3 ρg - densidad del gas kg/m3 4.4. Combustibles y combustión Un generador de vapor convencional constituye un sistema de superficies de calentamiento destinado a la producción de vapor a partir del agua de alimentación que se le suministra, mediante la utilización del calor liberado en la combustión de un combustible, el cual se suministra al horno conjuntamente con el aire necesario para su combustión. La fuente de calor del generador de vapor es la reacción de combustión entre una sustancia combustible y el aire, portador del oxígeno, que es el comburente.

La energía requerida para la generación de vapor en las calderas convencionales procede de la energía química del combustible, la cual se libera en el proceso de combustión. La combustión es un proceso físico-químico en el cual intervienen los siguientes elementos: • El combustible, que representa la energía potencial. • El aire, que suministra el oxígeno como comburente para la reacción de combustión de los elementos combustibles. • El horno, donde se desarrolla el proceso de combustión.

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• Los sistemas auxiliares, que garantizan la preparación adecuada del combustible y favorecen la mezcla del aire con el combustible. La reacción de combustión es una reacción química de oxidación rápida del combustible y reducción del comburente, acompañada de la liberación de una determinada cantidad de calor (reacción exotérmica). El combustible Se considera un combustible como aquella sustancia capaz de reaccionar rápidamente con el oxígeno y liberar en dicha reacción una cantidad significativa de calor. Los combustibles energéticos deben cumplir además con los requisitos de disponibilidad y bajo costo que permitan su utilización a escala comercial. Los principales combustibles energéticos para la generación de vapor son el carbón, el petróleo (fuel oil) y el gas natural. En la industria azucarera el bagazo constituye el combustible natural por excelencia para satisfacer las demandas energéticas del proceso de producción de azúcar. Composición del combustible La composición elemental expresa el porcentaje en masa de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Azufre, Cenizas y Humedad, y se puede referir a: Masa de trabajo (tal como se suministra a la caldera) Ct + Ht + Ot + Nt + St + At + Wt = 100 % Masa analítica (sin humedad externa) Ca + Ha + Oa + Na + Sa + Aa + Wa = 100 % Masa seca (sin humedad) Cs + Hs + Os + Ns + Ss + As = 100% Masa combustible (sin humedad y cenizas) Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 % La composición aproximada expresa el contenido en porcentaje en masa de sustancias volátiles, carbono, humedad y cenizas. La humedad en el combustible está compuesta por: Humedad externa: se encuentra mecánicamente ubicada sobre las superficies exteriores de las partículas del combustible. Humedad interna, la cual a su vez está formada por: - Humedad capilar: se encuentra en las cavidades capilares y poros del combustible. - Humedad coloidal. Centro de Estudios de Energía

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- Humedad hidratada: se encuentra ligada químicamente a impurezas minerales en el combustible Las sustancias combustibles en la masa de los combustibles orgánicos son: Carbono,

C

Hidrógeno,

H

Azufre,

S

El carbono es el elemento principal de la parte combustible, pues es el que más calor desprende, ya que aunque el hidrógeno de forma específica por unidad de masa desprende más, se encuentra siempre en mucha menor cuantía y el azufre desprende poco calor durante su combustión. El azufre constituye la impureza más perjudicial contenida en el combustible, pues provoca una intensa corrosión de las superficies de baja temperatura, dada por la presencia en los gases de la combustión de SO3, si las condiciones son favorables para su formación, lo que acarrea la formación de ácido sulfúrico que ataca, al condensarse, el metal de las superficies de transferencia de calor. El azufre también resulta perjudicial, desde el punto de vista de la contaminación ambiental, por sus gases sulfurosos que van a parar a la atmósfera. Propiedades de los Combustibles Dentro de las propiedades más importantes de los combustibles desde el punto de vista de su utilización para la generación de vapor en las calderas están las siguientes: Calor específico de combustión (Poder Calorífico o valor calórico) • Humedad • Contenido y composición de impurezas minerales (ceniza) • Contenido de azufre • Contenido de sustancias volátiles • Contenido de azufre. Adicionalmente para los combustibles líquidos son importantes también: • Viscosidad • Densidad (o gravedad específica) • Temperatura de ignición • Contenido de impurezas mecánicas • Temperatura de solidificación • Calor específico de combustión. Poder calorífico del combustible. El calor específico de combustión de un combustible, también conocido por poder calorífico o valor calórico, es el calor liberado durante la combustión completa de la unidad de masa del combustible. Centro de Estudios de Energía

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Se diferencian dos calores de combustión, dependiendo de que se condensen o no los vapores de agua presentes en los gases de combustión, en función de la temperatura final hasta que se enfríen estos. Calor específico de combustión superior (bruto), Qst Calor específico de combustión inferior (neto), Qit Tomando en consideración que en la oxidación de una unidad de masa de hidrógeno se obtienen nueve unidades de masa de agua, y considerando un calor latente aproximado del agua a presión atmosférica y temperaturas bajas de 2500 kJ/kg, se tiene para combustibles líquidos y sólidos: Qit = Qst – 2500 [(9Ht / 100) + (Wt / 100)], kJ/kg

(4.3)

Para combustibles gaseosos la composición se especifica normalmente, en porcentaje volumétrico de los diferentes gases que lo componen, y el poder calorífico está en función de esa composición y del poder calorífico de cada componente. Determinación del poder calorífico La determinación del poder calorífico de un combustible se puede realizar: • Experimentalmente, mediante bombas calorimétricas. • Analíticamente, en este caso en función de la composición elemental. Existen muchas fórmulas de diferentes autores para determinar el poder calorífico de distintos tipos de combustibles. Un ejemplo de ellas es la fórmula de Mendeleyev, aplicable para combustibles sólidos y líquidos: Qit = 339 · Ct + 1030 · Ht – 109 · (Ot - St) – 25 ·Wt, kJ/kg

(4.4)

Donde: Ct, Ht, Ot, S y W representan los porcentajes de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Azufre y Humedad, respectivamente, en la masa de trabajo del combustible. Lastres en los combustibles En los combustibles se tiene presente, en el momento de su combustión, dos tipos de lastres: primero los constituidos por las sustancias minerales no combustibles, y segundo, el agua presente en forma de humedad, a continuación se procede al estudio de ambos. Tanto las sustancias minerales no combustibles como el agua disminuyen el calor específico de combustión, aumentan los gastos de transportación y afectan el buen funcionamiento de los generadores de vapor. Al quemarse los combustibles a altas temperaturas, las impurezas pueden sufrir grandes cambios. Primeramente, a temperaturas relativamente bajas, pierden el agua que forma parte de los cristales de algunos compuestos de azufre y de la arcilla. Posteriormente, a

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temperaturas algo mayores, ocurre la descomposición de carbonatos, con la consiguiente formación de ácido carbónico y, además, la evaporación de las sustancias alcalinas y los cloruros. El residuo sólido no combustible obtenido después de la combustión de una sustancia, y de las consiguientes transformaciones de sus impurezas minerales no combustibles, es lo que se llama ceniza. En la utilización de un combustible es importante, además de la cantidad de ceniza, la composición química de esta y las características de las sustancias que la componen. Por ejemplo, los compuestos de calcio, las sustancias alcalinas de fácil fusión y los cloruros presentes en la ceniza provocan incrustaciones duras sobre las superficies de transferencia de calor, que resultan de difícil eliminación. La presencia de pentóxido de vanadio (V2O5), que tiene una temperatura de fusión baja y que se descompone sobre la superficie de los sobrecalentadores, acelera el proceso de corrosión del metal de los tubos. Esto incrementa también los gastos de mantenimiento. Este proceso se ve acelerado con la presencia de sales de níquel y sodio. La presencia de azufre en la ceniza crea también serias dificultades, por las características corrosivas que da a los gases. Su efecto negativo se produce principalmente en las superficies de baja temperatura. Volumen de oxígeno y aire necesarios para la combustión. Coeficiente de exceso de aire. El oxígeno necesario para la combustión en los hornos de los generadores de vapor es tomado del aire suministrado al horno. El aire es una mezcla de gases, compuesta fundamentalmente por nitrógeno y oxígeno. La composición volumétrica aproximada para cálculos de ingeniería es: 21% de O2 , 79% de N2 79/21 = 3.76 moles N2 / moles O2 La combustión puede ser completa o incompleta. • Combustión completa: todo el combustible se oxida y libera completamente su energía química. • Combustión incompleta: no todo el combustible se oxida completamente, no se libera completamente su energía química. La combustión real de una sustancia en el horno de una caldera adolece de deficiencias, pues resulta materialmente imposible lograr una mezcla perfecta del aire y el combustible para que, suministrando el aire teórico, se produzca la oxidación completa de todo el combustible, es decir, en la práctica se produce una combustión incompleta, obteniéndose productos intermedios. Por ejemplo para el Carbono: C + O2 → CO2 + 32800 kJ/kg (combustión completa) Centro de Estudios de Energía

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2C + O2 → 2CO + 9300 kJ/kg (combustión incompleta) La combustión incompleta puede ocurrir debido a tres factores fundamentales: • Insuficiente oxígeno. • Pobre mezclado del combustible. • Baja temperatura en la cámara de combustión. Una reacción de combustión estequiométrica es aquella en que todo el combustible se oxida y todo el comburente se reduce. Es una reacción ideal entre cantidades de combustible y comburente tales, que no sobra ni falta ninguno de ellos. Por ejemplo, la reacción estequiométrica de combustión completa de 1 mol de carbono será: C + O2 = CO2 12 kg + 32 kg = 44 kg O sea, que para quemar completamente 12 kg de carbono se necesitan 32 kg de oxígeno o el siguiente volumen de oxígeno: VO2 = 32 / ( 12 x 1.429 ) = 1.866 m3N/kgC. Esto es, se requiere para la combustión completa de 1 kg de Carbono 1.866 m3 de oxígeno en condiciones normales (presión atmosférica y temperatura de 0°C, teniendo en cuenta la densidad del oxígeno en condiciones normales de 1.429 kg / m3N). Tabla 4.1. Cantidad de oxígeno y de aire necesario en condiciones estequiométricas para

la

combustión de las tres sustancias combustibles en la masa orgánica de combustibles fósiles. Elemento

Reacción de

Cantidad de oxígeno necesario para Cantidad de aire

Combustible

Combustión

la combustión de 1 kg del elemento necesario para la combustión de 1 kg del elemento

Carbono

C + O2 = CO2

kg / kg

m3 N / kg

m3 N / kg

32 / 12 =

2,67 / 1,429 = 1,866 1,866 / 0.21 = 8,89

2.66 Hidrógeno

2H2 + O2 =

32 / 4 = 8

8 / 1,429 = 5,598

5,598 / 0.21 = 26,5

32 / 32 = 1

1 / 1,429 = 0,699

0,699 / 0.21 = 3,33

2H2O Azufre

S + O2 = SO2

De esta forma el volumen teórico de oxígeno necesario para la combustión completa de 1 kg de combustible sólido o líquido en condiciones normales se determina por la ecuación: Centro de Estudios de Energía

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Vo2 = 1,866 (C / 100) + 5,59 (H / 100) +0,7 (S /100) - (O /100⋅ 1,429) ,

m3N / kg

Para un combustible gaseoso de composición volumétrica igual a: CO2 + H2 + H2S + CmHn + CO + N2 + O2 = 100% El volumen teórico de oxígeno necesario para la combustión completa de 1 m3N de combustible gaseoso será: Vo2 = 0,01⋅[0,5 ⋅ CO + 0,5 ⋅ H2 + 1.5 ⋅ H2S +Σ (m + n/4) ⋅ Cm Hn - O2], m3N / m3N Este valor se determina análogamente al caso de los combustibles sólidos y líquidos, a partir del balance de materiales en las ecuaciones de combustión de los componentes combustibles del gas. Pero en un generador de vapor no es oxígeno, sino aire lo que se suministra al horno para la combustión de los elementos combustibles. ¿Cómo determinar entonces la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión completa? Conociendo que el aire atmosférico contiene 21% en volumen de oxígeno su puede calcular la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión completa de 1 kg de combustible de una composición determinada. Va° = Vo2 / 0.21

(4.5)

A partir de esta expresión se obtiene la ecuación para determinar la cantidad de aire teórico para la combustión completa de un combustible. Combustibles sólidos o líquidos Va° = 0,0889⋅ (C + 0,375⋅S) + 0,265⋅H – 0,0333⋅O,

m3N/kg

(4.6)

Combustibles gaseosos Va°= 0,0476 [0,5·CO + 0,5·H2 + 1,5·H2S + Σ(m + (n/4)) ·CmHn-O2] , m3N/m3N

(4.7)

Tabla 4.2. Volumen de aire teórico para el caso específico del Fuel Oil Tipo de Fuel Oil

Va° , m3N/kg

Fuel oil bajo azufre

10,62

Fuel oil medio azufre

10,45

Fuel oil alto azufre

10,20

Para el bagazo el volumen de aire teórico oscila alrededor de 2,2 – 2,3 m3N/kg En las condiciones reales del proceso de combustión en los hornos de los generadores de vapor, no es posible lograr una combustión completa del combustible suministrando la cantidad de aire teóricamente necesaria Va°. Esto obedece a la imposibilidad de lograr en condiciones reales un

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mezclado perfecto del combustible con el aire en el gran volumen del horno durante el breve tiempo de estancia de los gases en el mismo (1-2 segundos). La principal medida que se toma para contrarrestar esta dificultad es suministrar aire en exceso, es decir, suministrar una mayor cantidad que la que teóricamente se requiere. Esto trae el inconveniente que una cantidad de aire entrará al horno, se calentará y saldrá de la caldera, sin tomar parte en la reacción química, llevándose consigo una determinada cantidad de calor que constituye una pérdida; no obstante, se ha comprobado que suministrando un exceso de aire razonable, las pérdidas en conjunto disminuyen, pues se logra una combustión mucho más completa. Por ello, para asegurar una combustión suficientemente completa, que satisfaga los indicadores económicos del trabajo de los generadores de vapor, el volumen real de aire suministrado al horno es siempre mayor que el teórico. La relación entre estos volúmenes se denomina coeficiente de exceso de aire. α = Vaire real / Va0

(4.8)

El coeficiente de exceso de aire es la relación entre la cantidad (volumen) de aire real y la cantidad (volumen) de aire teórico. Vaire real > Va0

, α>1

El coeficiente de exceso de aire suministrado al horno, caracteriza el grado de perfección de la organización del proceso de combustión en las condiciones reales con respecto a las ideales. El coeficiente de exceso de aire a suministrar al horno depende de: • Tipo de combustible. • Modo de combustión. • Construcción del horno y sistema de combustión. Los valores del coeficiente de exceso de aire oscilan entre 1,05 y 1,4 En general los valores están en el rango: • Para combustibles sólidos

α = 1,15-1,4

• Para combustibles líquidos

α = 1,05-1,15

• Para combustibles gaseosos

α = 1,05- 1,1

Tabla 4.3. Rangos típicos del coeficiente de exceso de aire en función del tipo de combustible y el sistema de combustión. Tipo de

Sistema de

Coeficiente de

Porcentaje en

combustible

combustión

exceso de aire

volumen de oxígeno

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Gas natural

-

5 - 10

1–2

Propano

-

5 - 10

1–2

Gas de coke

-

5 - 10

1–2

10 - 12

2–3

10 - 15

2–3

Fuel oil N° 2 Atomización por vapor Fuel oil N°6 Atomización por vapor Carbón

Pulverizado

15 - 20

3 – 3,5

Carbón

Stoker

20 - 30

3,5 – 5

Durante la explotación y pruebas de generadores de vapor, el coeficiente de exceso de aire se determina experimentalmente (análisis de los productos de la combustión), y durante los cálculos de diseño o de comprobación se asume por recomendación (documentos normativos). Una disminución en el coeficiente de exceso de aire reduce el consumo de potencia en los ventiladores de tiro, y reduce, hasta cierto límite inferior, las pérdidas térmicas, aumentando la eficiencia térmica del generador de vapor. Pero su disminución por debajo del valor de diseño conlleva a la elevación brusca de las pérdidas por incombustión y al descenso de la eficiencia del generador de vapor. Hay que tener presente, además, al seleccionar el coeficiente de exceso de aire suministrado al horno, que al reducirse este, disminuye la corrosión de las superficies de calentamiento, tanto de alta temperatura (por vanadio) como de baja temperatura (por azufre), se reducen las incrustaciones en los sobrecalentadores, así como la emisión de contaminantes (NOx y SO2). De todo lo anterior se comprende la importancia de lograr, con una adecuada organización del proceso de combustión en el horno del generador de vapor, que esta se realice de forma completa con el mínimo de exceso de aire. Composición volumétrica de los productos de la combustión. La composición volumétrica de los productos de la combustión se determina mediante instrumentos específicos, los analizadores de gases. En los análisis de gases se determina el contenido (% en volumen) de: RO2 = (CO2 + SO2); O2; CO; H2; CH4 Por lo general el % de H2 y CH4 es bajo, y por tanto se determina normalmente solo el % de RO2, O2 y CO.

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Con frecuencia se utilizan los analizadores de gases con soluciones absorbedoras, tipo ORSAT o Fyrite (simplicidad y bajo costo). Mediante estos analizadores de gases o mediante los electrónicos, se determinan los porcentajes en volumen de: RO2, O2 y CO. Se considera que el resto de los gases es N2 ya que el análisis es sobre base seca (se mantienen saturados con vapor de agua), y los otros componentes gaseosos están presentes en muy baja proporción (ppm), por tanto: N2 = 100 - (RO2 + O2 + CO), % En ocasiones, si se utiliza un analizador tipo ORSAT, por ser el contenido de CO < 1%, solo se determina en el análisis el porcentaje de CO2 y O2, y el CO se obtiene de forma indirecta. CO =

21 − β ⋅ RO 2 − ( RO 2 + O 2 ) 0.605 + β , %

(4.9)

Donde β es un coeficiente característico del combustible, que depende fundamentalmente de la relación H/C, (β = f (H/C)). Para combustibles sólidos y líquidos:

β=

2,37 ⋅ (H − 0,126 ⋅ O ) C + 0,375 ⋅ S

(4.10)

Para combustibles gaseosos:

β=

0,209⋅ N2 + 0,395⋅ CO+ 0,396⋅ H2 +1,584⋅ CH4 + 2,389⋅ Cn Hm − 0,791⋅ O2 − 0.791 CO2 + 0,994⋅ CO+ 0,995⋅ CH4 + 2,001⋅ Cn Hm

(4.11)

Conociendo la composición volumétrica de los productos de la combustión se puede determinar el coeficiente de exceso de aire por la fórmula del nitrógeno:

α=

1  O − 0,5 ⋅ CO   1 − 3,62 ⋅  2 N2  

(4.12)

También se puede emplear la ecuación del código de pruebas de la ASME ("ASME Power Test Codes") para calcular el % de exceso de aire:

EA = 100 ⋅

O2 − CO

2 , % CO   0,2682 ⋅ N 2 −  O2 −  2  

(4.13)

Siendo: α = 1+ EA /100

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De forma aproximada, despreciando la liberación del contenido de nitrógeno del combustible, el cual es normalmente pequeño, se puede determinar el coeficiente de exceso de aire por la fórmula del oxígeno.

α=

21 21 − O 2

(4.14)

Otro método que se puede utilizar para determinar el coeficiente de exceso de aire de forma aproximada, es a partir del % de gases triatómicos en gases secos. max

RO 2 α= RO 2

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RO2

max

=

21 1+ β

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