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CALDERAS Y HORNOSMEJORAS EN EFICIENCIA Y REDUCCION DE EMISIONES

Colegio de Ingenieros Químicos y Profesionales AfinesAUTOR: Ing. José R. Navarro S.-

Tel. 253-43 43, 391-34 77e.mail: navarro128@ingenieroscr.com

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Generación y Distribución de Vapor y Agua Calientey hornos de proceso

Los dos equipos de combustión de mayor uso en las instalaciones y plantas industriales, comerciales y de servicios son las calderas de vapor y agua caliente y los hornos de proceso.

Estos son usados para transferir energía de un combustible a un fluido que transporta calor a diferentes temperaturas ya sea para ser usados en el proceso o para un calentamiento en diferentes formas.

En conclusión, es necesario adoptar medidas que permitan incrementar la eficiencia de las calderas y sistemas de distribución de vapor, usando las mejores tecnologías disponibles y aplicando técnicas para incrementar la eficiencia de las calderas y el uso de vapor o agua caliente y reducir las pérdidas en los sistemas de distribución.

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USO EFICIENTE DE CALDERAS Y HORNOS

En un sistema de generación-distribución en conjunto, el uso ineficiente de la energía puede significar un aprovechamiento tan bajo como del 30% de la energía aportada al sistema por el combustible en la caldera (sistemas de vapor), en lugar de un 70% como podría ser en el caso de un sistema optimizado.Por otro lado, la ineficiencia de las calderas y sistemas de distribución, además de implicar mayor consumo de combustible, implican también un incremento proporcional de las emisiones de gases de combustión tales como:

Dióxido de Carbono (CO2) : probable causante de "Efecto invernadero".

Dióxido de Azufre (SO2) : causante de "Lluvia ácida“ y daños a la salud

Oxidos de nitrógeno (NOx) : causante de "Lluvia Acida“ y daños a la salud

Monoxido de Carbono (CO) : contaminante daños a la saludPartículas en la forma de hollín : contaminante, daños a la salud entre

mas pequeña sea la particula

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Procedimientos de Evaluación Energética de Calderas y Hornos de Proceso

La evaluación energética de calderas de vapor y agua caliente y hornos de proceso es una de las acciones más importantes en cualquier programa de ahorro de energía térmica y control de las emisiones de en una instalación y debe tener como objetivos determinar lo siguiente:

1- Efectuar un balance de materia y energía en la caldera u horno, para determinar las pérdidas.

2- Determinar la eficiencia en el consumo de combustible3- Ver oportunidades de ahorro de energía e incremento de la

eficiencia4- Determinar las inversiones para mejorar la eficiencia5- Conocer las emisiones de contaminantes (CO, SO2, NOx,

partículas)

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Procedimiento

1) Conocer las características técnicas de la caldera u horno y su influencia en la eficienciaDiseñoVariables de diseñoControlesCombustibles usados

2) Determinar las condiciones operativas actuales que estén alterando la eficienciaModo de funcionamientoRégimen de operaciónVariables de operaciónControlesMantenimiento

3) Realizar mediciones para obtener una base del diagnósticoAnálisis de gases: su velocidad y flujo, su composición O2, CO2, CO. SO2, NOx, PTSOpacidad de gases Medición de temperatura de gasesMedición de flujos: combustible, vapor, purga, flujos calentándose etc. Temperaturas superficiales: pérdidas por radiación y convección

4) Efectuar diagnósticoDiagnóstico energético de la caldera u hornoPlanteamiento de mejoras justificadas técnica y económicamente

5) Los recursos necesarios para hacer una evaluación energética son:Personal especializado y soporteInstrumentos: analizador de gases, termómetros, medidores de flujo, pirómetros.

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APLICACIÓN DE MEDIDAS DE CONTROL

Conociendo las características técnicas de la caldera, su modo de operación, consumo energético, y teniendo un diagnóstico de su eficiencia y limitaciones, es posible plantear las medidas para el ahorro de energía y control de a emisiones mediante una serie de técnicas que se explican más adelante, las cuales tienen que ser evaluadas técnica y económicamente antes de su implementación

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FurnaceReboiler

FurnaceCrude

Steam

ExchangerHeat

Crude Oil

Residual Oil 50% Crude

Cooler

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SteamSteam

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Gas Oil

Kerosene

GasolineReflux

Cooler

Condenser

Water

Gases

400 0C

≈

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Fundamentos de combustión

Combustión: Es una reacción química entre un combustible y oxígeno que produce luz y calor. La producción de calor , es por supuesto, el punto de interés. Esta reacción en la industria es empleada en calentadores a fuego directo para el calentamiento de fluidos por medio de los productos de combustión.

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Requerimentos

Para que la reacción pueda llevarse a cabo debe alcanzarse la mezcla adecuada de combustible aire y se debe mantener la temperatura mínima de ignición.

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Productos de la combustión

En general los productos de combustión son dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de componentes tales como el monóxido y dióxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, partículas (p.t.s.) etc.

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¿DE QUE DEPENDE LA COMBUSTION?

DEL COMBUSTIBLE ( TIPO, CARACTERISTICAS, TEMPERATURA ETC.)DEL QUEMADOR Y DEL EQUIPO ( TIPO, PRESION, TIPO DE ATOMIZACION, CONTROL DEL QUEMADO, ESTADO)DEL AIRE (ALTURA, TEMPERATURA, DISTRIBUCION)DE LA CAMARA DE COMBUSTION (CONFORMACION, TAMAÑO, PRESION INTERNA O DRAFT DISPONIBLE)

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Caracterización de combustibles

Las características físicas y químicas de los combustibles determinan algunas características de operación y deben corresponder al diseño del generador de vapor u horno

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Table of fuel oils

Name Alias Type ChainLength

No. 1 fuel oil No. 1 distillate No. 1 diesel fuel Distillate 9-16

No. 2 fuel oil No. 2 distillate No. 2 diesel fuel Distillate 10-20

No. 3 fuel oil No. 3 distillate No. 3 diesel fuelDistillate

No. 4 fuel oil No. 4 distillate No. 4 residual fuel oil 12-70 Distillate/Residual

No. 5 fuel oil No. 5 residual fuel oil Heavy fuel oil Residual 12-70

No. 6 fuel oil No. 6 residual fuel oil Heavy fuel oil Residual 20-

70

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Cantidad de contaminantes y características, tales:

1. DENSIDAD2. VISCOCIDAD3. FLASH POINT4. AZUFRE5. CENIZAS6. ASFALTENOS7. NITROGENO8. VANADIO9. SODIO10. CALCIO11. BSW12. SILICIO Y NIQUEL13. ESTABILDAD CONRADSON14. MAGNESIO.15. SILICE

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COMO MEJORAR EL COMBUSTIBLE A LA HORA DE USARLO

PARA OPTIMIZAR EL COMBUSTIBLE PUEDE:

1. CALENTARLO MAS A LA HORA DE INYECTARLO AL QUEMADOR

2. ADICIONARLE ADITIVOS3. ADICIONARLE AGUA EMULSIFICADA4. MODIFICAR EL QUEMADOR O SUS

CPNDICIONES DE OPERACION

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SITUACION ACTUAL

La mayoría de estas calderas u hornos en Costa Rica tienen más de 10 años en servicio, por lo que actualmente están utilizando un bunker C. de menor calidad, comparado con el que se consideró para su diseño. Como consecuencia, en muchas de estas calderas se producen ensuciamientos anormales de las superficies de intercambio de calor, disminución de eficiencias térmicas y de combustión e incremento de las emisiones.

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PANORAMA ACTUAL EN NUESTRO PAIS.

En Costa Rica, como en caso de toda Latinoamérica, las calderas y los hornos, en general, no se les ha dado la importancia, como equipo básico de la operación de la industria y otras actividades, además como equipo con gastos importantes de combustible y muchas veces si el equipo abastece las necesidades de vapor o calentamiento y si cumple con las regulaciones oficiales de control periódico, no hay que hacer mas por el.

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OpcionesPara disminuir los problemas descritos en las calderas y hornos y reducir las emisiones, algunas opciones pueden: ser cambiar el combustible por uno de mejor calidad, instalar nuevos quemadores o utilizar alguna tecnología comercial para acondicionar los gases de combustión. Sin embargo, éstas pueden resultar económicamente inviables en algunas calderas. Otra opción puede ser una tecnología económica y de aplicación sencilla; en este aspecto puede considerarse la emulsión de agua en combustible o combustible en el agua.

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Proceso de quemado

La combustión de gotas del combustible atomizadas en un horno caliente consiste de las etapas siguientes: calentamiento rápido, evaporación, ignición, combustión de los compuestos ligeros y, finalmente, combustión de un residuo carbonoso. Esta última es la que toma más tiempo y de ella depende la emisión de partículas no quemadas.

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El proceso de combustión de una partícula de hidrocarburo

puede describirse por la ecuación siguiente [Lawn, C. J., 1987]:

dm/dt=kd2pgn

La masa de la partícula está expresada como (m); el coeficiente de velocidad de reacción es (k); el diámetro de la partícula es (d); la presión parcial del oxígeno es (pg), y el orden de la reacción que normalmente se toma como la unidad es (n). La mezcla del combustible con el aire es siempre imperfecta, por esta razón la combustión de una partícula carbonosa (dm/dt) en la última sección de una flama es "lenta" y muy dependiente de la presión parcial del oxígeno; es decir, el exceso de aire contribuye de manera importante en la reducción de esta emisión.

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Tiempo de quemado

El tiempo total de combustión de una gota es aproximadamente proporcional a su diámetro inicial al cuadrado [Sjögren, A., 1976]. Así, una gota de un tamaño dos veces más grande que otra, requerirá cuatro veces más tiempo para quemarse y producirá una flama más larga [Gill, A. B., 1984; Williams, A., 1990].

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para mejorar la combustiónse debe: A-producir gotas de combustible pequeñas1. mantener una temperatura alta del combustible2. Tener alta presión de atomización.3. Una presión diferencial de atomización adecuada4. Usar combustibles emulsificadosB- lograr una mezcla eficiente entre el aire y el

combustible. (mejorar los quemadores)C- incrementar el exceso de aire. (Esto último incrementa

la formación de óxidos de nitrógeno (NOx), trióxido de azufre (SO3) y pérdidas de eficiencia térmica en una caldera.).

D- Lo mas importante ! el buen mantenimiento del equipo ¡

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Características del bunker (crudo mexico)

Propiedad Cantidad

Carbono (% peso) 85.18

Hidrógeno (% peso) 10.35

Nitrógeno (% peso) 0.29

Azufre (% peso) 3.00

Agua (% peso) 0.1

Ceniza (% peso) 0.063

Oxígeno (% peso) 0.31

Asfaltenos en n-pentano (% peso) 16.17

Carbón Conradson (% peso) 16.58

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Continuación Viscosidad cinemática, a 50 °C, cSt 1300

Viscosidad cinemática, a 82.2 °C, cSt 170

Poder calorífico neto (kJ kg-1) 39.880

Temperatura de inflamación (°C) 102.0

Peso específico a 15/15 °C 1.002

Vanadio (ppm) 215.0

Sodio (ppm) 24

Níquel (ppm) 10

hierro (ppm) 7

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Atomización:

Es un aspecto clave del proceso, que determina la calidad de la combustión y de la emisiones. Proyectos realizados se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo, caracterizando la distribución de tamaños de gota obtenidos con distintas geometrías de boquilla (existentes, y de nuevo diseño) y variando los parámetros de inyección.

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Quemador y su uso

Una de las funciones del quemador es mantener la adecuada proporción de combustible y oxígeno de la mezcla. Se requiere una cierta cantidad de oxígeno para cada porción de carbono o hidrógeno del combustible. Si la proporción de combustible - aire requerida varía drásticamente la reacción puede no llevarse acabo o efectuarse de manera incompleta.

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Visión quemador

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Como se ve la llama

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Emulsiones fuel-oil/aguaEmulsiones agua en fuel-oil

La aportación de agua en forma de emulsión (maximo 30% de agua y 70% combustible) es un método bien conocido para la mejora de la combustión de líquidos, especialmente de combustibles pesados.

AGUA EN FUEL OIL: PRODUCE 'microexplosiones' generan un fenómeno de atomización secundaria que puede dar lugar a una mejora significativa en la calidad de la combustión, con importantes reducciones en la emisión de material particulado.

FUEL OIL EN AGUA: PRODUCE ‘Preatomizacion” el agua se evapora dejando las particulas de aceite de tamaño reducido

En distintos proyectos se ha evaluado el resultado de esta estrategia, analizando múltiples parámetros (porcentaje de agua, parámetros de inyección del combustible, uso de aditivos) y encontrando reducciones de hasta 80% en la emisión de partículas y también disminuciones apreciables en el nivel de NOx, asi como reducción de SO2, esto por una mejor combustion.

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Vista de gota de combustible atomizada

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Comparación de gotas en el quemador

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Resultados de usar emulsion agua-combustible en los pts

grafico

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Aditivos:

Mediante pruebas se han evaluado los beneficios de la utilización de aditivos de diversa naturaleza (incluyendo neutralizantes, catalizadores de llama tales como manganeso y bario, emulgentes tales como esteres tanto sintético como bio-derivados o la combinación de varios de ellos).

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El motivo fundamental del empleo de aditivos es el ahorro de dinero y energía y reducción de la contaminación.

¿COMO? MEJORANDO LA COMBUSTION¿COMO CONSEGUIR ESTO? Se puede conseguir con aditivos:1- que actúen como dispersante-disolvente de los lodos e

impurezas en suspensión en el combustible2- fluidificando y diluyendo el combustible.3- manteniendo limpios las tuberías, inyectores o quemadores.4- Mejorando su combustión mediante catálisis5- Mejorando la combustión promoviendo una mejor atomización

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¿qué hacen los aditivos?¡DEPENDE DEL TIPO QUE USE!

1. ACONDICIONAMIENTO Y FLUIDIZACION DEL COMBUSTIBLE

2. LIMPIEZA Y LUBRICACIÓN DE LOS EQUIPOS TALES COMO INYECTORES O QUEMADORES Y SUS ADITAMENTOS

3. INHIBIDORES DE CORROSION Y ACUMULACION DE SEDIMENTOS EN LAS BOQUILLAS Y QUEMADORES

4. DISPERSION Y MEJOR ATOMIZACIÓN5. CATALISIS DE LLAMA

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Catalizadores de llama y reductores de adherencias

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Consideraciones para diseño de un quemadorPara el adecuado diseño de un quemador es fundamental considerar tres aspectos importantes: turbulencia, temperatura y tiempo, que definen la velocidad de la reacción. Para que la combustión se lleve a acabo adecuadamente, debe existir suficiente turbulencia para lograr la adecuada mezcla; existen dos fuentes de turbulencia, la caída de presión del aire a través del quemador y la energía del combustible. La temperatura a la cual se lleva acabo la reacción de combustión es importante , mientras más alta sea la temperatura en la zona de combustión la reacción se lleva acabo con mayor rapidez. El tiempo que se requiere para que se lleve acabo la combustión es dependiente de la temperatura y la turbulencia. En general, a mayor turbulencia menor es el tiempo que se requiere para que se efectúe la reacción. De igual manera, a mayor temperatura menor el tiempo de reacción.

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Aerodinámica del quemador:

En diversos estudios se ha estudiado el efecto de la dinámica de los flujos de aire y combustible, y la interacción entre ambos, como factores determinantes en el proceso de combustión. Parámetros como el número de swirl, las velocidades de inyección, la geometría del quemador o la distribución de aire entre varios circuitos han sido objeto de estudio, tanto sobre quemadores 'convencionales' como, y muy especialmente, en el desarrollo del quemador TENOX.

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Producción de NOx

Se producen óxidos de nitrógeno durante la reacción de combustión. Estos se producen por la oxidación del nitrógeno en el aire y de los componentes nitrogenados de los combustibles. Se ha determinado que los óxidos de nitrógeno destruyen la capa de ozono de la alta atmósfera que nos protege del rayo del sol y es precursor del ozono a nivel de piso, por lo que es un producto indeseable de la combustión. La presencia de este componente está influenciada por el diseño y la operación del equipo.

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50,000

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15%

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45%

60%

75%

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19941990Percent of National Total

Emisiones Provenientes de la Quema de Combustibles en Latinoamérica y El Caribe

Porcentaje del total nacional

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Oxidos de Nitrógeno (NOx)Gases de efecto invernadero indirectoLas actividades de quema de combustibles son la fuente antropogénica de NOx mássignificativa

Industrias de la energíaFuentes móviles

Dos mecanismos de formación:"NOx del combustible" “NOx térmico"

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NOx Térmico Este mecanismo de producción es una fuente principal de NOx provenientes de la combustión. La producción de NOx por este mecanismo puede ir desde unas cuantas partes por millón hasta varios miles dependiendo de las condiciones. El esquema de reacción es el siguiente:

Este mecanismo de producción de NOx se inicia con átomos de O y éstos prevalecen en las zonas de alta temperatura de la flama por lo que el NOx térmico se produce con mayor rapidez en las zonas de flama con temperatura pico. De hecho, la producción de los NOxtérmicos, se incrementan exponencialmente con la temperatura de la flama y el método para controlarlos es principalmente controlando la temperatura pico de la flama.

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PROMPT" NOx"El "PROMPT" NOx es una forma indirecta de oxidar N2 y las emisiones generadas por este mecanismo son mucho menores que las generadas por el mecanismo térmico. Sin embargo a medida que se han ido disminuyendo las emisiones de NOx térmico la contribución de este se vuelve más importante. El PROMPT NOx se produce principalmente en las zonas de la flama ricas en combustible. Se forma por medio de una secuencia de reacciones que se inician con radicales hidrocarburos y N2.. Estos radicales se forman durante la combustión de cualquier hidrocarburo. Las reacciones típicas son:

El HCN y CN formados en estas reacciones se pueden convertir a NCO, NH, y después a N. Finalmente el N puede reaccionar para formar NO.

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NOx producido por el combustible.

Algunos combustibles tales como los aceites contienen moléculas con enlace orgánico con el nitrógeno. El fuel nº 6 (bunker C) contiene en México de 0.2 a 0.43% de nitrógeno en liga orgánica; incluso algunos gases de refinería contienen algunos compuestos tales como NH3, HCN y arrastre de aminas generadoras de NOx.

A medida que los combustibles pesados se calientan en la flama se descomponen, y dependiendo de la naturaleza de los enlaces químicos , el nitrógeno típicamente es liberado en forma de HCN o NH, compuestos que finalmente derivan en la formación de NOx.

Los factores más importantes que determinan la cantidad de óxidos de nitrógeno producidos por el tipo de combustible quemado son: el contenido de nitrógeno en liga orgánica en el combustible y la estequiometría en la zona de la flama donde se libera el nitrógeno. Aunque generalmente no se puede hacer nada para afectar el nivel de nitrógeno en el combustible, si es posible optimizar la estequeometría de la flama.

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REDUCION DE NOx

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Quemadores por etapas de aire:

El quemador por etapas de aire marca John Zink es la mejor tecnología existente en la actualidad cuando se requiere quemar en combinación una combustible líquido y un gas. El quemador esta diseñado para inyectar el aire de combustión en etapas generando dos zonas de combustión ; la primaria donde se lleva a cabo una reacción sub.-estequiométrica que limita la formación de óxidos de nitrógeno por el contenido de N en el combustible, y por otro lado la zona de combustión secundaria que mezcla los productos de combustión provenientes de la zona primaria con aire terciaria o en etapa. Esto disminuye la temperatura pico de la flama limitado la formación de óxidos de nitrógeno "térmicos".

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Quemadores por etapas de combustible.

En este tipo de quemador, se mezcla una porción del combustible y todo el aire de combustión en la zona primaria de combustión. Se logra una combustión muy rápida en esta atmósfera de alto exceso de aire. El exceso de aire tan alto reduce considerablemente la temperatura pico de la flama de la zona primaria. Debido a la reducción en la temperatura pico de la flama, la producción de NOxen la zona primaria se reduce considerablemente. El combustible restante es alimentado a través de varias boquillas perimetrales que por su velocidad de operación arrastran a los productos de la zona primaria de combustión a la secundaria. Al entrar los productos de la reacción a la segunda etapa reducen la temperatura de la combustión y reducen la presión parcial del oxígeno en la reacción retardando la formación de óxidos de nitrógeno. Este quemador es más efectivo en la reducción de NOx sin embargo hasta ahora solo es aplicable a gases combustibles, no maneja combustibles líquidos.

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tabla comparativa que compara las emisiones de un quemador por etapas de aire, por etapas

de combustible y estándar.

GRAFICO

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¡EVALUAR EL SISTEMA Y TENER LA MEJOR ALTERNATIVA TECNICA Y ECONOMICA!Alternativas: 1- Modificar el combustible: mezcla, emulsión, micronizarlo, calentarlo mas antes de entrar al quemador2- Ajustar el quemador3- Modular la operación de la caldera4- Ajustar los parámetros operativos.5-Verificar la operación eficiente del equipo.6- MANTENIMIENTO E INSPECCION

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¿El futuro en procesos de combustión en hornos y calderas?- INVESTIGACION Y DESARROLLO

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HORNOS DE PROCESO

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PARA SU REFERENCIA SE LE ADJUNTA

BIBLIOGRAFIA

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