ASPECTOS CRTICOS DEL ASPECTOS CRTICOS DEL DISEO BSICO DEDISEO BSICO DE

CALDERAS DE COMBUSTIN CALDERAS DE COMBUSTIN DE BIOMASA EN PARRILLADE BIOMASA EN PARRILLA

Luis E. DezLuis E. DezSerled ConsultoresSerled Consultores

27-28 junio 2006

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOIntroduccin Aspectos de diseo que influyen de forma ms crtica en los

resultados operativos, por su decisivo impacto sobre el rendimiento, la capacidad y la disponibilidad: formacin de depsitos e incrustaciones sobre la parrilla y las superficies de

intercambio tasas de desgaste y rotura de estos elementos (corrosin + erosin)

Cuando los depsitos son demasiado tenaces e incrustantes los sistemas de limpieza no consiguen eliminarlos adecuadamente y adems tambin pueden producirse depsitos excesivos en partes de la caldera sin sistemas de limpieza. Los depsitos incrustantes y excesivos provocan tres efectos indeseables fundamentales: reducen la tasa de transmisin de calor y hacen aumentar la temperatura de

salida de gases, reduciendo el rendimiento de la caldera a partir de cierto punto tambin reducen de forma significativa el paso libre por el

que circulan los gases, lo que finalmente limita el caudal de aire y gases circulante y con ello la capacidad de la caldera

son causa de fenmenos de corrosin

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOFenmenos ms frecuentes Los elevados contenidos de lcalis en las cenizas, en conjuncin

con otros elementos problemticos presentes habitualmente en su composicin, fundamentalmente cloro y azufre, originan una tendencia a provocar fenmenos de depsitos, incrustaciones, erosin y corrosin en diversas partes de las calderas de biomasa:

Formacin de costras sobre la parrilla y problemas de extraccin de escorias

Obstruccin de los agujeros de entrada de aire primario en la parrilla

Obstruccin de la entrada de biomasa con depsitos de escoria

Grandes depsitos en superficies refractadas y paredes de agua

Acumulaciones alrededor de las entradas de aire secundario

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOFenmenos ms frecuentes

Estrechamiento de los pasos de gases por depsitos Puntos calientes por postcombustin superficial Erosiones de las zonas de transmisin de los

conductos de gases Depsitos incrustantes en las zonas de entrada de

gases al sobrecalentador Puentes y bloqueos en los haces de conveccin Corrosin y erosin de los tubos del sobrecalentador 2

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOMedidas paliativas

Cuando el diseo de la caldera y sus sistemas de limpieza no sonapropiados para poder operar con las biomasas especificadas, se recurre habitualmente a diversas soluciones: Eliminacin de los componentes ms negativos de la biomasa (lavado,

eliminacin de finos, etc.) Mezcla de las biomasas ms desfavorables con otras de ms calidad Empleo de las biomasas ms desfavorables justo antes de las paradas Mejora de controles de combustin para eliminar picos de temperatura Incremento o mejora de los sopladores de vapor Empleo de sistemas de limpieza en marcha con agua Empleo de aditivos

Estas medidas paliativas siempre suponen costes adicionales de combustible, materiales o mano de obra y en muchas ocasiones no permiten alcanzar finalmente unas condiciones operativas satisfactorias.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOCausas y desarrollo de estos fenmenos Para establecer los criterios bsicos de diseo de caldera, en

funcin de los tipos y caractersticas de la biomasa a emplear, ser preciso tener en cuenta lo que se conoce sobre las causas de estos fenmenos y sus procesos de desarrollo:

La tendencia de una biomasa a formar costras sobre la parrilla depende fundamentalmente de la composicin qumica de sus cenizas, en conjuncin con las condiciones locales derivadas del proceso de combustin, como el tipo de atmsfera (oxidante o reductora) y la temperatura. Con biomasas ricas en lcalis es prcticamente imposible evitar la ocurrencia de fenmenos de fusin y sinterizacin de escorias, por lo que la solucin ser seleccionar tipos de parrilla que eviten la formacin de grandes costras por el movimiento que inducen en el lecho de material en combustin.

Los procesos por los que las substancias que constituyen los depsitos e incrustaciones sobre los refractarios y las superficies de intercambio se forman y se depositan son muy complejos y variados y no han sido todava totalmente comprendidos, pero se han formulado sus posibles mecanismos fsicos y transformaciones qumicas conceptuales fundamentales.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOCausas y procesos fenmenos

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOFormacin de partculas Con las altas concentraciones de substancias alcalinas y el rpido

proceso de enfriamiento que sufren los gases, se forman en el flujo de gases nuevas partculas submicrnicas por condensaciones homogneas de dichas substancias, seguidas de nucleaciones y aglomeraciones heterogneas. Adicionalmente, durante el proceso de enfriamiento de los gases, dichas substancias se condensan y/o reaccionan con las cenizas volantes arrastradas por los gases.

Con cualquiera de los mecanismos relevantes que afectan a las substancias alcalinas presentes en los gases (nucleacin, condensacin, reaccin qumica) las mayor concentracin de estassubstancias tiende a producirse en las partculas ms pequeas presentes en los gases, mientras que los elementos refractarios dominan en las partculas mayores.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOAlcance de las superficies: difusin Las partculas de cenizas volantes y los vapores inorgnicos

alcanzan las superficies de intercambio mediante mecanismos muy diversos: La difusin es el transporte neto de

partculas y molculas de gas desde una zona de alta concentracin a otra de baja, por el movimiento Browniano. La concentracin baja en las proximidades de las superficies donde los vapores se condensan y las partculas se depositan. Este mecanismo de transporte es especialmente importante para los vapores, ya que el coeficiente de difusin disminuye con el tamao.

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOAlcance de las superficies: termoforesis

La termoforesis se produce porque las partculas de los aerosoles experimentan colisiones con las molculas de gas adyacentes, lo que ejerce una fuerza neta si la partcula se encuentra localizada en un campo de gradientes trmicos. La velocidad termofortica tambin decrece para las partculas de mayor tamao, que reducen el gradiente trmico en su vecindad. La velocidad termofortica es mxima cuando las superficies estn limpias y la temperatura superficial es ms prxima a la del fluido interno, maximizando los gradientes trmicos.

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOAlcance de las superficies: impacto

Los impactos se producen cuando las partculas no son capaces de seguir la corriente del flujo de gases debido a su inercia y chocan con la superficie. Tambin se producen impactos por el movimiento turbulento del flujo de gases. Las partculas ms pequeas, con menos de 10-20 m, no tienen suficiente masa para llegar a impactar debido a su movimiento inercial, pero s pueden hacerlo proyectadas por las turbulencias. En cambio, las partculas del orden de 50 micras pueden llegar a impactar por inercia hasta en un 50% de los casos, cuando los gases atraviesan una fila de tubos.

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos 11 Los depsitos se producen cuando

las partculas o molculas de vapor que alcanzan las superficies se adhieren a las mismas. Las molculas de vapor, conducidas por termoforesis y difusin, son capaces de penetrar a travs de los poros de la capa preexistente de depsitos de partculas, hasta alcanzar la capa ms profunda.

Los cloruros alcalinos condensan a temperatura variable, desde un mximo de unos 750 C, dependiendo de su concentracin inicial, hasta unos 600 C, cuando su concentracin ya se reduce a valores del orden de 5 mg/Nm3.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos: influencia tamao partculas

Mientras que las partculas de menos de 10 m tienen bastante tendencia a depositarse una vez impactan sobre la capa de depsitos, las de mayor tamao tienen normalmente suficiente inercia como para rebotar y volver al flujo de gases, salvo cuando la superficie de la capa de depsitos o la propia partcula tienen propiedades adherentes.

Los depsitos de partculas submicrnicas ricas en lcalis o la condensacin de vapores de substancias alcalinas pueden crear una capa adherente que facilita el depsito de las partculas de ms de 10 m.

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos: formacin

Si en el inicio de la zona de conveccin las temperaturas de los gases estn por encima de la temperatura de fusin del KCl (770 C), las condiciones adherentes sobre los tubos se alcanzan muy rpidamente, tanto por la alta tasa de depsito del KCl condensado sobre los tubos, al no haberse solidificado todava en el seno del flujo de gases, como por el alto nivel trmico alcanzado por la capa ms externa del depsito.

Pero dado que el KCl puede alcanzar porcentajes de fusin sobre los tubos del orden del 10% a temperaturas de unos 620 C, si la capa exterior de depsitos alcanza este nivel trmico ya se podran formar depsitos tenaces y se incrementara el grado de depsito de partculas grandes, inicindose as el rpido incremento de la tasa de depsitos.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos: estructura

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos: influencia temperatura fluido La temperatura del fluido que circula por los tubos tambin incide

notablemente en la rapidez del proceso, por dos vas diferenciadas: Incide en la temperatura de la capa de depsitos, con lo que las condiciones de

plastificacin pueden alcanzarse con menores espesores del depsito inicial. Incide en la temperatura del metal

de los tubos sobre la que condensan los cloruros y sulfatos alcalinos, favoreciendo las reacciones qumicas de stos con el metal y dando lugar a la formacin de eutcticos de muy bajo punto de fusin (< 400 C), que multiplican la corrosin y adems pueden generar adherencia con capas de depsitos todava muy finas y poco calientes, potenciando el incremento inicial de la tasa de depsitos y su tenacidad 15

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEODepsitos: efecto sobre condiciones operativas El progresivo crecimiento de las

tenaces capas internas, junto con el incremento de la tasa de crecimiento y de la tenacidad de las capas externas conduce en muchas ocasiones al deterioro irreversible de las condiciones operativas de la instalacin, obligando a su parada. 16

Todo el proceso puede agravarse notablemente cuando partculas todava incandescentes, con temperaturas muy superiores a las del flujo de gases que las arrastra y con combustible todava sin consumir, impactan y se depositan sobre las superficies de intercambio.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOCorrosin 18

El cloro se cree que acta como catalizador en el proceso de corrosin, transportando el hierro lejos de la pared del tubo, impidiendo la formacin de una capa protectora de xido frrico.

Mxima gravedad en los sobrecalentadores, sobre todo con temperaturas del vapor por encima de 400 C. Tambin en vaporizadores, si reciben una alta carga de lcalis condensados. 19

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOErosin

Los procesos de erosin en sobrecalentadores estn generalmente asociados con los problemas de depsitos y corrosin. Entre los ms frecuentes pueden citarse: Exceso de velocidad de los gases en

ciertas zonas de la seccin de paso por obstruccin habitual en otras zonas adyacentes, con desgaste de la pared lateral del tubo.

Exceso de limpieza automtica con los sopladores en puntos concretos del haz tubular, especialmente cuando se incrementa la frecuencia para tratar de controlar los depsitos, con un proceso cclico de corrosin-erosin. 20

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOEvaluacin riesgo biomasas

Un primer paso para evaluar el desafo tecnolgico que plantean los combustibles biomsicos que pretendan emplearse en una instalacin y definir en consecuencia el diseo de caldera ms apropiado consiste en caracterizar adecuadamente la biomasa y determinar los parmetros ms significativos en relacin con su riesgo de provocar depsitos e incrustaciones problemticas. Los parmetros ms significativos a tener en cuenta son:

Contenido de potasio sobre cenizas Contenido de xidos alcalinos por unidad de energa Contenido de cloro sobre seco Contenido de azufre sobre seco

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOValoraciones contenidos elementos crticos Las medidas de contenidos de elementos y substancias deben

seguir mtodos normalizados apropiados para las biomasas implicadas e incluso emplear ms de un mtodo cuando existan dudas razonables sobre la fiabilidad y precisin de los resultados.

Valoraciones para calderas de biomasa de parrilla sin diseos especiales, con temperaturas de gases tpicas a la entrada de lazona de conveccin del orden de 850 C : El potasio es el metal alcalino ms significativo. Con contenidos del mismo en las

cenizas por debajo del 7% este factor no resulta problemtico

El contenido de xidos alcalinos (K2O + Na2O) por unidad de energa tiene en cuenta tambin el sodio y el porcentaje de cenizas. Por debajo de 0,17 kg/GJ PCS no resulta problemtico. Entre 0,17 y 0,34 kg/GJ PCS los riesgos son significativos y por encima de 0,34 inadmisibles.

Contenidos de cloro < 0,1% en masa sobre seco no son problemticos Contenidos de azufre < 0,1% en masa sobre seco no son problemticos

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOMedidas tendencia fusin: conos piromtricos

Medidas de temperaturas de fusin de cenizas mediante conos piromtricos se consideran de baja utilidad, porque las cenizas de los depsitos son muy diferentes de las generadas en el laboratorio a partir de la biomasa y porque parte de los lcalis se volatilizan durante el proceso de calcinacin, incluso si se lleva a cabo a baja temperatura (550 600 C). 22

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOMedidas tendencia fusin: clculos equilibrio

Los clculos termodinmicos de equilibrio multicomponente y multifase de los compuestos qumicos estables que se forman en los gases a partir de la fraccin reactiva del combustible ofrecen datos como composicin, puntos de fusin y porcentajes de fusin de las cenizas volantes: 15% para que la fusin incremente

significativamente la tasa de depsitos.

posible incremento del riesgo en caso de mezcla de dos combustibles.

Mixture Bark & Peat

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ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOSoluciones y medidas

Cuando las biomasas que se pretenden emplear presentan composiciones que hacen prever una moderada o elevada tendencia a provocar depsitos y corrosiones sobre la parrilla, los refractarios y las superficies de intercambio ser preciso disear la caldera con unas caractersticas especiales orientadas a minimizar la severidad de dichos fenmenos:

1. Seleccionar una tecnologa de parrilla con buenas caractersticas para remover el lecho de ascuas y evitar la formacin de costras de escorias, pero que al mismo tiempo no disgrege demasiado las ascuas, para reducir el arrastre de cenizas por los gases de combustin.

2. Disear una cmara de combustin primaria amplia, con baja carga trmica especfica por unidad de superficie, que trabaje con bajas velocidades de los gases, con objeto de minimizar el arrastre de cenizas hacia la cmara de combustin secundaria y los depsitos sobre las paredes de la cmara, as como evitar la corrosin de las paredes de agua no refractadas.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOSoluciones y medidas

3. Disear una cmara de combustin secundaria amplia, tanto en seccin como en longitud, que trabaje con bajas velocidades de los gases una vez traspasada la zona de estrangulamiento y mezcla con el aire secundario, y que tenga tiempos de residencia elevados antes del cambio de direccin de los gases en la parte superior, para minimizar los impactos de cenizas en las paredes laterales por turbulencias y los inerciales en las paredes del techo del hogar, previniendo la formacin de grandes costras.

4. Incorporar cmaras de radiacin a la salida del hogar, para incrementar el tiempo de residencia de los gases, potenciar la separacin inercial de partculas y bajar la temperatura de los gases a la entrada de la zona de conveccin. Esta medida es esencial. Permite que condense la mayor parte del KCl en el seno del flujo de gases en lugar de sobre los tubos, as como reducir la temperatura superficial del metal y la temperatura mxima de la capa de depsitos. La temperatura requerida para evitar problemas operativos depende de varios factores, entre ellos del nivel de elementos problemticos en la biomasa, pero en general es recomendable bajar hasta niveles trmicos que aseguren un bajo contenido residual de lcalis en los gases, de acuerdo con las curvas de saturacin de estas substancias.

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOSoluciones y medidas

5. Situar el primer haz de conveccin con flujo de gases hacia abajo, para mejorar su facilidad de limpieza.

6. Disear los haces sobrecalentadores de forma que los tubos con mayor nivel trmico interno no queden a la entrada de la zona de conveccin, para limitar la temperatura mxima del metal.

7. Limitar la temperatura del vapor principal, para limitar an ms la temperatura mxima del metal. Una temperatura del vapor principal de unos 400 450 C, con temperaturas exteriores de metal de unos 425 - 475 C, es una adecuada salvaguarda para la mayor parte de las biomasas problemticas, ya que a partir de 500 C de temperatura superficial no se forman capas de xidos protectoras.

8. Instalar un sistema de control de la combustin apropiado, que permita regular con bastante precisin el proceso y las temperaturas en el hogar.

9. Disear los sistemas de soplado con vapor para una operacin frecuente y con una buena distribucin del vapor sobre los haces. Prever la posibilidad de tener que incorporar sopladores en el hogar para eliminar los depsitos antes de que formen grandes costras

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOSoluciones y medidas

10. Si se pretende incrementar la temperatura del vapor principal para mejorar el rendimiento del ciclo de vapor asociado a la caldera, hasta valores del orden de 500 C, ser preciso incrementar asimismo correspondientemente la temperatura de los gases a la zona de conveccin y recurrir a una adecuada combinacin de medidas adicionales para evitar problemas operativos excesivos por dicha causa: Sobrecalentadores con tubos

verticales colgantes, de amplio paso Sistemas de limpieza por golpeteo. Sobrecalentadores con tubos de acero

inoxidable austentico resistentes a la corrosin (Tipo 347)

No obstante no podr evitarse una progresiva corrosin de los tubos con temperaturas superficiales del metal por encima de los 500 C, lo que obligar a substituciones peridicas de los mismos 25

ASPECTOS CRTICOS DEL DISEOFuentes figuras

1: T.R. Miles, US DOE National Laboratories & others, Alkali deposits found in biomass boilers, 1996

2: Vattenfall, Corrosion and Fouling problems which can be solved, 2000

3: Fuente desconocida4: CHEC Research Centre, Alkali metals in biomass-fired

systems, 19995: B. Sander, Emissions, corrosion and alkali chemistry in

straw-fired combined heat and power plants, 20006: CHEC Research Centre, Release to the gas phase of

Cl, K and S in Biomass fired grate boilers, 20037: Sren Knudsen Kr, Institute of Energy Technology,

Aalborg University, DK, Ph.D. thesis, 20018: Sren Knudsen Kr, Institute of Energy Technology,

Aalborg University, DK, Ph.D. thesis, 20019: Fuente desconocida10: T.R. Miles, US DOE National Laboratories & others,

Alkali deposits found in biomass boilers, 199611: Fuente desconocida12: CHEC Research Centre, Alkali metals in biomass-fired

systems, 199913: Sren Knudsen Kr, Institute of Energy Technology,

Aalborg University, DK, Ph.D. thesis, 2001

14: Sren Knudsen Kr, Institute of Energy Technology, Aalborg University, DK, Ph.D. thesis, 2001

15: Dionel O. Albina, Theory and experience on corrosionof Waterwall and superheater tubes of waste-to-energyfacilities, Columbia University, 2005

16: Sren Knudsen Kr, Institute of Energy Technology, Aalborg University, DK, Ph.D. thesis, 2001

17: CHEC Research Centre, Biomass and Corrosion, 199918: Dionel O. Albina, Theory and experience on corrosion

of Waterwall and superheater tubes of waste-to-energyfacilities, Columbia University, 2005

19: R. Riedl, J. Dahl, I. Obernberger, M. Narodoslawsky, Corrosion in fire tube boilers of biomass combustionplants, 1999.

20: Toma propia21: CHEC Research Centre, Ash Melting Characterisation

Using STA, 199922: CHEC Research Centre, Ash Melting Characterisation

Using STA, 199923: Fuente desconocida24: Fuente desconocida25: B. Sander, Emissions, corrosion and alkali chemistry in

straw-fired combined heat and power plants, 2000

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