CAPÍTULO VI HORNOS PARA CALDERAS SUMARIO 1. Modos de combustión. Tipos de hornos. 2. Hornos para bagazo. 1.Hornos para combustión en pila. 2. Hornos para la combustión en capa. 3. Modo de combustión en suspensión y capa simultáneamente. 4. Hornos de combustión en cámara. 3. Calderas bagaceras operando con petróleo. 4. Características técnicas del horno. 1 Modos de combustión. Tipos de hornos. Los modos creados para lograr la combustión de los combustibles son varios, respondiendo esto a la necesidad de contar con formas diferentes de quemarlos, para que, ante la variedad de tipos de combustibles, se logre siempre por algún método una combustión efectiva. Por otra parte, dada la necesidad de que las características de los hornos se adapten a los diferentes modos de combustión, es que se han tenido que desarrollar diferentes tipos de hornos, En este capitulo se estudiarán los procesos de la combustión en los hornos y los tipos más característicos de estos que existen, enfocando este estudio hacia el logro de una explotación más eficiente. Los modos de combustión que tienen mayor importancia son tres: ← Combustión en llama. ← Combustión en suspensión. ← Combustión en capa. El primer modo, la combustión en llama, consiste en quemar el combustible en fase gaseosa (gases) atomizado (líquidos) y pulverizado (sólidos) lanzándolo y mezclándolo con el aire de manera tal, que se forme una llama estable y continua a la salida del quemador. Como se ve, puede utilizarse para cualquier tip o de combustible. El segundo modo, la combustión en suspensión, consiste en lanzar el combustible pulverizado a la cámara del horno, de manera tal, que las partículas se queman estando suspendidas por corrientes de aire y gases. Se utiliza para combustibles sólidos. El tercer modo, la combustión en capa, consiste en quemar el combustible acumulado en el piso (parrilla) del horno, formando una capa o una pila. Este variante limita su empleo a los combustibles sólidos. Para efectuar el quemado de los combustibles, a través de los diferentes modos de combustión, se ha desarrollado un considerable número de tipos de hornos. Estos pueden aplicar un solo modo de combustión o por el contrario, aplicar más de uno simultáneamente para el mismo combustible. Seguidamente se enunciarán diferentes tipos de hornos según el modo de combustión, limitando la referencia a los de mayor trascendencia técnica. 1. Modo de combustión en capa. ← Hornos de pila. ← Hornos de parrilla viajera. ← Hornos de parrilla fija inclinada. 2. Modo de combustión a la llama. ← Hornos de cámara. 3. Modo de combustión en suspensión. ← Hornos de torbellino. ← Hornos ciclónicos. ← Hornos de lecho fluidizado. 4. Modo de combustión en suspensión y capa simultáneamente (semisuspensión). ← Hornos de parrilla horizontal basculante. ← Hornos de parrilla viajera. La combustión a la llama y en suspensión resultan más eficientes que la combustión en capa; en estos modos el proceso se efectúa de una forma más efect iva y sin inconvenientes. Comparativamente presentan las siguientes ventajas: ← El combustible se quema atomizado o pulverizado y en suspensión en la cámara; esto permite un mejor contacto combustible-comburente, aumentando la probabilidad de choques efectivos entre moléculas, lo que hace que disminuyan las pérdidas por incombustión. ← El coeficiente de exceso de aire puede reducirse y lograrse una disminución de la pérdida por calor sensible en los gases de salida. ← En general la eficiencia del generador de vapor es superior. ← La inercia térmica disminuye y se logran respuestas más rápidas ante los cambios de carga de la caldera. Esto facilita la automatización. Como se ha visto el horno es un elemento fundamental en el generador de vapor, pues es en él donde ocurre uno de los procesos más importantes de este equipo: la combustión. Además, las características del horno tienen una influencia decisiva sobre la eficiencia, pues influyen en los valores de las pérdidas por incombustión mecánica y química y sobre la magnitud de la pérdida con los gases de salida. 2 Hornos para bagazo 1 Hornos para la combustión en pila. Otra característica de estos hornos es su extracción de cenizas las que resultan en extremo trabajosas dedo el volumen de las mismas acompañado de parte del combustible sin quemar.8. lo que provoca altas pérdidas por calor en los gases de salidas. El horno de quemado en pila fue uno de los primeros desarrollados en la industria azucarera. el que usa compuertas para la regulación de la cantidad de aire en los casos de los ventiladores eléctricos o regulado a través de una válvula para los ventiladores accionados por turbinas de vapor. Dichos ventiladores deben ser capaces de suministrar el aire necesario para la combustión aunque en estos tipos de generadores de vapor es usual un coeficiente de exceso de aire en el horno entre 1. facilitando un mejor suministro de aire para la combustión y también a la ausencia de esquinas lo que facilita además la limpieza del hogar. En estos tipos de hornos dado su forma de combustión.4 –1. es necesario utilizar altos coeficientes de aire. por donde es suministrado el aire que puede ser frío. sin especificidad de tamaño de partículas. para lograr una mejor combustión y que el horno no se enfríe. no obstante aún encontramos much os de ellos.60 m) de altura. quema el bagazo formando una pila de aproximadamente 5 pies (1. aunque seria mejor caliente. siendo más numerosas hacia el fondo. Dentro de los hornos que más se han utilizados podemos señalar: ← Hornos Cook ← Hornos Ward ← Hornos Martín Características de los Hornos Cook. El perfil de herradura se adopta debido a lo fácil que resulta distribuir el combustible sobre el piso del horno. en parrilla fija inclinada o en parrilla viajera este modo de combustión fue desarrollado para la quema del bagazo y el carbón. El número de herraduras (hogares) en la caldera depende fundamentalmente del ancho disponible en la caldera. .Dentro de la combustión en capa. generalmente entre 1. Este tipo de horno también conocido como horno de herradura está formado por una cámara de ladrillos refractarios provistos de una serie de toberas colocadas alrededor de la herradura. ni importar grandemente la humedad con que llega al horno.7 y 1. así como de la capacidad de la misma. encontramos la combustión en pila. Este tipo de horno conocido como hornos de herradura dada su forma geométrica. El aire para la combustión es suministrado por un ventilador de tiro forzado. El combustible cae desde un embudo al piso formando una pila cónica. y en él se hace una combustión indiscriminada del bagazo. así como las pérdidas por incombustión química y mecánica.8. es por ello que se ha ensayado colocar una parrilla por encima de la primera fila de toberas para suministrar el aire por debajo de la pila. Características de los hornos Ward. por lo que en estos casos se necesita un tiro natural más potente. La construcción de los hornos Ward se hace entre otras cosas para eliminar las deficiencias de los hornos Cook. El horno Martin fue diseñado por un técnico azucarero cubano y ha sido el tipo de horno para la combustión en pila que más se difundió en el país. es por ello que se le incorpora uno o dos arcos en dependencia del tipo de caldera. en ara de buscar mejores combustiones y lograr mayores eficiencias. Ventajas ← Se producen altas temperaturas que benefician la combustión. Por ser estos los hornos más utilizados en el país son los que más propensos han estado a las modificaciones. . Características de los hornos Martin. logrando una mayor velocidad de estos. Estos hornos continúan con características similares a sus antecesores: quemadores en forma de herraduras y toberas suministradoras del aire colocadas en varias filas. de tubos rectos o de tubos curvos conocidos como "pechos de paloma" incrementándose de esta forma la temperatura en el horno y disminuyéndose la salida del flujo de gases calientes. lo que hace que tenga una alta temperatura favoreciendo el proceso de combustión. es por ello que la primera modificación realizada es la incorporación del horno a la caldera.Otra característica de gran importancia en estos tipos de hornos. Modo de co mbustión en pila. favoreciendo el proceso de transferencia de calor. La reducción de la salida de gases a través de los arcos construidos con losas refractarias hace que se incrementen las pérdidas de tiro. con ello se reflejaba nuevamente el calor hacia la pila incrementándose la temperatura dentro del horno y por lo tanto favoreciéndose el proceso de combustión. Ventajas y Desventajas. al ser este un horno abierto se disminuye considerablemente la temperatura en el mismo y por lo tanto la de la combustión. es que el horno como tal se encuentra fuera de la caldera en sí. pero a su vez incrementándose las pérdidas por radiación al medio (q5). ← La presencia de una pila cónica crea una gran capacitancia térmica lo que permite que ante paradas momentáneas del tandem se continúe el proceso de generación de vapor. variándose la altura de las mismas respecto al Ward La modificación más importante realizada en este tipo de horno fue la eliminación de los llamados pechos de palomas y colocación de un arco radiante. Usualmente en estos arcos se colocan toberas de aire (aproximadamente se suministra el 20% del aire) para favorecer el mezclado con el combustible e incrementar la turbulencia. lo que conlleva a un incremento de las pérdidas por incombustión química (q3). por lo que no necesita de una preparación.← El combustible a utilizar es tomado tal y como sale del tandem. el aire se suministra fundamentalmente por la porción inferior del horno que viene a constituir la zona de combustión. El bagazo es introducido por una abertura encima del centro de la parrilla. Hornos de parrilla fija inclinada. Este tipo de horno aunque mejora la combustión en comparación. o sea que se incrementan las pérdidas por incombustión mecánica volátil (q4). ← Hornos de parrilla viajera. La combustión en capa fue desarrollada para la quema de combustibles sólidos (carbón. Desventajas ← La presencia de una pila de combustible en el horno no permite un adecuado mezclado del aire y el combustible. ← Hornos de parrilla inclinada.9) y como consecuencia un aumento de las pérdidas por calor sensible en los gases de salida (q2). Estos hornos tuvieron su mayor aplicación en bagazo y están compuestos por una parrilla fija inclinada aproximadamente 52º. formando una capa. Hornos de parrilla plana. ni disminuirle su % de humedad.6-1. bagazo. Esto impide en gran medida la automatización del proceso de combustión. es por ello que este bagazo pasa más seco a la zona de combustión. provoca que exista una gran cantidad de partículas arrastradas sin haber alcanzado su combustión completa. provocando incrustaciones en las superficies de transferencia de calor o en las paredes del horno. ← El sistema de cción de ceniza se realiza de forma manual lo que resulta muy trabajoso. aún es muy ineficiente y por ello es que se modifica. El bagazo húmedo de la porción superior de la pila queda sujeto al calor desprendido de los gases de combustión. ← La temperatura de combustión (900-1200 ºC) puede llevar a la ceniza del combustible a su punto de fusión. 2 Hornos para la combustión en capa. con el pobre mezclado de este con el combustible. etc) y se encuentran referidos los siguientes tipos de hornos: ← Hornos de parrilla plana. con los hornos de quemado en pila. ← No presenta ninguna complejidad en el suministro del combustible ← No necesita de un personal altamente calificado para la operación ← La operación y el mantenimiento de los hornos son sencillas y poco costosas. ← Presenta una respuesta lenta ante los cambios de demanda de vapor. Este horno consiste en una serie de barras colocadas horizontalmente o con una inclinación muy ligera. producto de la gran capacitancia térmica que provoca la pila de combustible. ← Necesita de altos valores de coeficiente de excesos de aire (1. ← La combinación de los altos excesos de aire. con un cenicero de una inclinación que puede variar entre 0-20º con la horiz . diseñándose los hornos de parrilla fija inclinada. Por último los residuos son recolectados en la cavidad inferior que hay debajo del cenicero. incorporándose el otro 20 % a través de las toberas situadas por la parte superior de ésta. pasando luego hacia la zona posterior. se le construyeron posteriormente bóvedas que cierran el horno. Los hornos de parrilla inclinada constan de tres partes fundamentales. lo que beneficia el proceso de combustión. . aunque su mayor utilización ha sido para la combustión del carbón con un mínimo de preparación. la parrilla con un movimiento continuo pero lento. Ventajas ← Se logran altas temperaturas en el interior del horno. En estos hornos de parrillas viajeras se quema el combustible en capas principalmente en tres zonas . el aire secundario es el que se suministra a través de un juego de toberas por encima de la capa de combustible. permitiendo el paso del aire por debajo de la parrilla. ya que se logra un adecuado mezclado combustible-comburente y además. donde se termina la combustión quedando solamente los residuos. siendo este último un elemento que favorece el proceso de combustión. ← Existe poca complejidad en el proceso de extracción de cenizas. Ventajas y Desventajas. hace pasar el combustible a la zona intermedia donde se produce el proceso de combustión del mismo.ontal.7). Estos hornos. una primera sección colocada en la parte superior por donde penetra el combustible.5 m de longitud.2-1. el horno se enfriará menos. ← Producen un secado previo del combustible. que es hermética no permitiendo el paso del aire y que realiza la función de sacadora del combustible alimentado y tiene aproximadamente 1 m de longitud. Hornos de parrillas viajeras. en estos hornos el exceso de aire varía en el rango de (1. Combustión en capa. una segunda sección o parrilla propiamente que está compuesta por elementos unidos entre sí y que pivotean en un punto. En Cuba se realizó un intento de construcción y utilización de uno de ellos. Por ello. a este aire se le denomina aire primario. lográndose mayores temperaturas. Al diseñarse estos hornos de parrillas viajeras. el horno quedaba abierto. aire que puede ser frío o caliente. El 80 % del aire en estos tipos de hornos se suministra por la parte inferior de la parrilla. En esta sección es donde se realiza el proceso de combustión y tiene aproximadamente 2. La primera zona es donde cae el combustible alimentado y donde comienza el proceso de secado. aunque no llegó a funcionar por problemas mecánicos en el mecanismo del movimiento de las parr illas y fue modificado por uno de parrilla horizontal basculante. Al hacerse pasar el mayor porciento del aire por debajo de la parrilla se favorece el proceso de combustión. fueron muy utilizados para la combustión del bagazo en Egipto. lográndose mayores temperaturas en el mismo. El combustible quemado o prácticamente quemado cae por gravedad al cenicero. que es una parrilla casi horizontal donde se completa el proceso de combustión . el aire secundario constituye alrededor de un 20% del total cuando se emplean lanzadores mecánicos. lo que hace se disminuyan las pérdidas por calor sensible en los gases de salida respecto a la combustión en pila Desventajas ← Requieren de una operación más compleja. 6. 6. cuando se utilizan lanzadores neumáticos puede reducirse ligeramente. correspondiendo una a cada distribuidor. Hornos de parrilla horizontal basculante (HPHB). por lo que no puede calentarse mucho más. Este tipo de horno es el más generalizado en las calderas modernas de la industria azucarera cubana. pero a diferencia de aquellos. Este aire se suministra frío ó a temperatura de 150oC aproximadamente. en que el combustible es suministrado a la cabeza de la parrilla viajera. ← Se incrementan los costos de instalación y mantenimiento debido a los sistemas de parrillas transportadoras. El aire secundario se suministra por toberas situadas el la pared traseras. 3 Modo de combustión en suspensión y capa simultáneamente. ← El coeficiente de exceso de aire disminuye.← Las pérdidas por radiación al medio (q5) se reducen. pudiendo éstas constituir una sola fila ó varias filas a diferentes niveles. La parrilla del piso está dividida en varias secciones longitudinales. hay una mejor mezcla aire com bustible lo que hace se reduzcan las pérdidas por incombustión química y mecánica q3 y q4). Este horno es similar a los hornos de parrilla viajera ya estudiados. en este caso el combustible es suministrado por un distribuidor que lo lanza a la cámara del . que hace que esta pivotee en su posici6n de manera tal. las que se apoyan en una viga cuadrada que es accionada por un cilindro neumático. [pic] Fig. Horno de semisuspensión con parrilla viajera. que la pieza (caballito) puede adoptar una posici6n inclinada creándose una abertura entre una y otra por la que caen residuos al cenicero. ← Con relación a los hornos de combustión en pila. La parrilla como tal está formada por piezas (ver detalle Fig. El HPHB se caracteriza porque la parrilla es fija (no viaja) y a través de ella se le suministra el aire primario que debe ser aproximadamente el 80% del total.1) conocid as en los centrales como “caballitos”.1 – Horno de semisuspensión con parrilla horizontal basculante y distribuidor mecánico. hidráulico ó de vapor. ← Los sistemas de alimentación son más complejos con alimentadores mecánicos o neumáticos. El aire primario que entra por la parrilla se calienta aproximadamente a 250 (C y tiene como función adicional enfriar la parrilla. de donde son retirados posteriormente. 6. a) Distribuidores mecánicos Los distribuidores mecánicos (Fig. 6. las partículas medianas caen en la parrilla cerca del distribuidor y las grandes más alejadas de éste (al fondo del horno como tal). logrando “barrer” con el combustible en toda su longitud.2 – Horno de semisuspensión con parrilla viajera. 6.2). El aire para el lanzador neumático puede ser suministrado caliente (tomado del calentador de aire) o frío (entregado por un ventilador independiente) pero en ambos casos debe ser considerado en la cantidad total de aire a suministrar. Este distribuidor mostrado tiene integrado además el dosificador. Distribuidores y dosificadores.horno. Las partículas finas se queman en suspensión. El distribuidor combinado es una conjunción del principio mecánico y el neumático (ver Fig. Este sistema mediante una válvula rotatoria varía el flujo de aire desde un mínimo a un máximo. todo esto ha llevado a que se esté imponiendo en los últimos años.3 – Distribuidor neumático de combustible.1) están constituidos por un tambor con paletas que giran de forma tal que al recibir el combustible de una canal situada en su parte superior lo lanza a la cámara del horno. 6. La parrilla en este horno viaja de atrás hacia delante y descarga los residuos por la parte frontal del horno. [pic] Fig. [pic] Fig. Los distribuidores son los dispositivos que lanzan el combustible a la cámara del horno y deben distribuirlos con la mayor uniformidad. para no sobrepasar el valor óptimo del coeficiente de exceso de aire. (Ver Fig. para evitar acumulac iones en ciertos lugares de la parrilla que impidan la entrada del aire y se vea afectada la combustión en esa zona. que en este caso . El distribuidor neumático tiene una construcción simple. El tambor es accionado por un motor eléctrico mediante un sistema de correas y poleas y gira a una velocidad constante.4). Esto da un tiempo de permanencia adecuado para cada partícula. Un dispositivo de paleta accionado por un tornillo permite regular la distancia a que lanza el distribuidor.3) no tiene partes móviles y el combustible es lanzado a la cámara del horno mediante un impulso neumático. c) Distribuidor combinado. b) Distribuidores neumáticos El distribuidor neumático (Fig. para ajustar la distribución del combustible en la parrilla y sobretodo evitar que el combustible choque contra la pared trasera. 6. Este sistema descrito es el más utilizado para el bagazo en Cuba. reclama poco mantenimiento y consume poca energía. 6. d) Dosificador rotatorio. incluyendo el techo y el piso. Los quemadores se colocan en la pared frontal. en este caso. 6. poder calcular la cantidad de combustible (bagazo) que está suministrando. presentan además una alta eficiencia.4 – Distribuidor combinado de combustible. 6. en las paredes laterales y muy excepcionalmente en el techo. están constituidos por una cámara donde se quema el combustible. (b) Cámara semiabierta. 6. cuya altura es mucho mayor que el ancho y la profundidad. La utilización de este modo de combustión facilita la automatización del proceso de combustión y el empleo de bajos coeficientes de exceso de aire lo que ayuda a alcanzar altos valores de eficiencia en el generador de vapor. obliga en ocasiones a complejos y costosos sistemas de preparación del combustible. 6.5b). Dichos modelos son: [pic] (t/h) Donde: B – Gasto de combustible suministrado al distribuidor (t/h). 6. Los hornos de cámara son en la actualidad los más empleados en las centrales termoeléctricas. N – Velocidad de rotación del dosificador (r. Estos pueden operar con combustibles líquidos. lo que ha permitido modelarlo matemáticamente para. por utilizar el modo de combustión a la llama que es el más efectivo de todos. (se asume constante) lo que lo hace más práctico con fines industriales.consiste en un transportador de velocidad variable para regular la cantidad de combustible que se suministre. El dosificador rotatorio. Los hornos de cámara se dividen en dos tipos: homos de cámara abierta (Fig. La regulaci6n se logra variando la velocidad de rotación del tambor. En Cuba se produce un solo tipo de dosificador. en el caso de los sólidos. conocido también en la industria azucarera como alimentador. aunque esto.5 – Hornos de cámara.m. En el segundo modelo no se tiene en cuenta la densidad del bagazo. Los hornos de cámara.1). Los hornos de cámara tienen por lo general todas sus paredes apantalladas. tiene la función de regular la cantidad de combustible que se suministra al horno (ver Fig. [pic] Fig. [pic] – Densidad del bagazo integral (kg/m3). [pic] Fig. 4 Hornos de cámara. gaseosos o sólidos. (a) Cámara abierta. como su nombre lo indica. por ser los que permiten las mayores capacidades de generación de vapor y por lo tanto de energía eléctrica. te quemadores a ]a llama.p.5a) y homos de cámara semiabierta (Fig. además de por las favorables características anteriormente apuntadas. conociendo ciertos datos.). La forma general de este horno es un prisma de base cuadrada o rectangular. el que es accionado por un motor eléctrico. . de donde es extraída periódicamente. En los hornos de cámaras semiabiertas la fracción de ceniza fundida es mayor (0. altamente contaminantes. La región de la tolva tiene una temperatura muy inferior a la de la zona ocupada por las llamas. 6.10 a 0. En las cámaras abiertas se logra fundir una fracción de ceniza respecto a la total de combustible del orden de 0.5 % El costo de inversión de estos hornos está definido por tres aspectos: ← Su tamaño ← El sistema de pantallas de agua ( lo que decide sobre la cantidad de refractario aislante y estructuras metálicas a emplear) ← Equipamiento auxiliar. Los hornos con extracción de ceniza líquida pueden ser de cámara abierta o semiabierta (Fig. donde concluye el proceso de combustión y se transfiere una parte importante del calor a las paredes de agua y sobrecalentadores radiantes. hacia el fondo del horno y sale por el orificio previsto para ello. en ambos casos.( esto abarca los quemadores.25 (Arp). que es donde están ubicados los quemadores y en la cual transcurre en lo fundamental el proceso de combustión. Los hornos de cámara utilizados para sólidos. pueden a su vez clasificarse en hornos con extracción de ceniza seca o con extracción. 6. la cual escurre.50 – 0. de ceniza liquida. Las altas temperaturas que se alcanzan en estos hornos favorece la formación de los óxidos de nitrógeno. La ceniza no fundidas se solidifica en la cámara de enfriam iento y sales con los gases. llamada de enfriamiento. lo que ha constituido su principal desventaja.6) son los más ampliamente utilizados en el mundo. mientras que los de cámara semiabierta presentan dos. una inferior llamada propiamente de combustión. [pic] Fig. en la zona de ubicación de los quemadores las pantallas de agua se recubren con material refractario. 6. En estos hornos la fracción de ceniza extraída por la tolva con relación a la total del combustible varía de 0. sistema de extracción de cenizas) ← Equipos preparadores del combustible) . son del tipo de cámara abierta y tienen una tolva inferior para recoger la ceniza que se desprende de las llamas.Los hornos de cámara abierta presentan una sola cámara como tal.7). Los hornos de cámara presentan las siguientes características técnicas: [pic] 163 – 465 kW/m3 [pic]9200 – 9300 kW/m2 [pic]95 – 99.6 – Horno de cámara abierta con extracción de ceniza seca. por lo que la ceniza cae en forma sólida al fondo de la tolva. Los hornos con extracción de ceniza seca (Fig. y una superior.20 – 0.60) (Arp).15 (arp). para crear una zona de altas temperaturas (1500 a 1600oC) con lo que se consigue fundir una parte de la ceniza. se desarrollaron importantes esfuerzos investigativos e implementaciones industriales. Hornos de suspensión. pero no fue. la que tiene su punto critico de formación por encima de los 1482 (C. Con posterioridad se realizaron las primeras aplicaciones para la combustión con fines energéticos. Si ahora se incrementa la velocidad del aire cierto valor. en el cual . En la figura 6. (c) Lecho fluidizado burbujeante. este atraviesa la capa y provoca las reacciones de combustión. 6. [pic] Fig. La combustión en lecho fluidizado se caracteriza por la intensa transferencia de calor en la cámara del horno y por las bajas temperaturas a que ocurre (800 .Este último aspecto en el caso de los combustibles sólidos tiene un peso decisivo en su costo. (d) Lecho fluidizado circulante. (a) Lecho fijo. pero el combustible permanece formando un lecho fijo.) y viéndose en el lecho fluidizado una vía para su alcance. pero en la actualidad ya esta se acepta como una tecnología válida para la generación eléctrica. Estos operaban con carbón como combustible y posteriormente surgieron aplicaciones en otros combustibles. las partículas de combustible serán suspendidas por la corriente de aire y gases de la combustión.8 – Condiciones del lecho o capa.8 (b). Los lechos fluidizados tuvieron su origen en los trabajos desarrollados por Fritz Winkler para gasificar el carbón. de donde toma su nombre. Los costos de mantenimiento de los homos de cámara no son altos y están decididos en buena medida por los del equipamiento auxiliar. (b) Lecho fluidizado. podrá pasarse al llamado lecho fluidizado burbujeante. A estas bajas temperaturas se reduce la formación de NOx. hasta 1960 que. Las primeras instalaciones de generadores de vapor con lecho fluidizado han estado en el campo de las empresas industriales. valorando profundamente el sistema de preparación que será necesario dar al combustible.8 se representa la formación de un lecho fiuidizado. Hornos de lecho fluidizado. En la figura 6. figura 6. lo que implica desarrollar muy bien el proceso de combustión. pues además del costo de inversión del equipamiento necesario para ello. Por todo lo anteriormente expuesto se hace necesario trabajar para lograr hornos pequeños con altos valores de carga térmica específica de su volumen.900 (C).8 (a) se presenta una capa de combustible sobre una parrilla distribuidora de aire. su consumo energético en operación puede llegar a ser alto. con la necesidad de reducir las emisiones gaseosas contaminantes (SO2 y NOx. a mediados de la década de 1920. formándose un lecho o capa fluidizada que adquirirá ciertas propiedades de fluido. Si la velocidad del aire se incrementa a un más. que condujeron a los primeros generadores de vapor comerciales. como por ejemplo la cáscara de arroz y otras biomasas. si la velocidad del aire es baja. 8 (c). la primera de lecho burbujeante y la segunda de lecho circulante. la superficie del lecho está bien definida y se aprecia correctamente la transición entre el lecho y el espacio de la cámara por encima de éste.4 – 3 m/s y partículas de 1 a 1. estaremos en presencia de un lecho fluidizado circulante figura 6. Las partículas muy finas arrastradas desde el momento de su entrada son capturas y recircu ladas. [pic] Fig.10 y 6. [pic] Fig.10 – Caldera de lecho fluidizado burbujearte. 6. llamada zona de desenganche.9 – Variación de la caída de presión en el lecho con el aumento de la velocidad del aire. Por la placa distribuidora de aire se suministra del 85 . después cuando se alcanza la fluidización permanece constante y cuando se produce el arrastre de las partículas disminuye.2 mm. El comportamiento de la caída de presión en un lecho fluidizado resulta interesante y se muestra en la figura 6.8 (d).11 se han representado dos calderas con lecho fluidizado. Con el objetivo además de logr ar estabilidad al lecho. Las calderas comerciales emplean algunos de estos dos últimos sistemas: Lecho fluidizado burbujeante (LFB) o lecho fluidizado circulante (LFC). En las figuras 6.las burbujas de aire se unen formando grandes huecos en el lecho de partículas sólidas. El tiempo de permanencia depende del tamaño inicial y de la velocidad de decrecimiento producto de la combustión y de las colisiones que sufre. para la generación de vapor. caliza y dolomita) y después se suministra el combustible y se inicia el proceso de combustión Las calderas de lecho fluidizado se construyen además de dos tipos con lecho a presión atmosférica. figura 6. En estos niveles de fluidización. En los LFB la partícula permanece en el lecho denso hasta tanto se reduce su tamaño a uno tal. o con lecho presurizado para la producción de gas y abastecer un a turbina de gas y formar un ciclo combinado. Las calderas con LFB que trabajan con carbón operan con velocidades de gases de 2. 6.9. la caída de presión aumenta constantemente. Al inicio cuando comienza a incrementarse la velocidad del aire y con la condición de lecho fijo. Si ahora se hacen circular los sólidos y una parte de ellos es atrapada mediante captadores (ciclones) y retornada a la cámara. este se crea primero con algún material inerte o absorbente del azufre (ejemplo: arena silice. en la parte inferior se crea una zona de lecho denso y en la parte superior una zona de desenganche y recirculación. que puede ser arrastrada por la corriente gaseosa. tanto el mínimo como el burbujeante. En este caso. 1 m/s y partículas de 0. el empleo de altas cargas térmicas volumétricas y el logro de hornos muy compactos. En todas las calderas con LFC (ver Fig. velocidad del chorro y velocidad y densidad en el lecho en el punto de descarga. ← Mezclado muy efectivo del combustible y el aire. 6. A esto ú1timo contribuyen también los altos coeficientes de transferencia de calor que se logran. En las calderas de lecho fluidizado por lo general las cenizas se extraen por dos vías: mediante el sistema de purgas o drenaje del horno y mediante los gases de escape. En estas calderas es típica la colocación de una superficie de intercambio de calor.15 % y LFC de 30 . El aire secundario empleado es: LFB de 0 . 6. del tipo de haz tubular.11 – Caldera de lecho fluidizado circulante. Adicionalmente la baja temperatura reduce la corrosión por álcalis (Na y K). pero siempre es superior que el de la permanencia de los gases.al 100 % del aire necesario. con el objetivo de lograr un buen balance energético y mantener en este la temperatura deseada. ← Reducción del exceso de aire que se traduce en un incremento de la eficiencia de la caldera. en el seno del lecho. ← Se opera satisfactoriamente con combustibles de bajo calor específico de combustión . el de filtro de saco. Por la placa distribuidora de aire se suministra del 50 al 70 % del aire necesario.20 mm. [pic] Fig. esto permite una alta eficiencia en la combustión. En el caso de que el balance de calor en el horno lo aconseje. por eso es imprescindible un sistema captador y recirculador de partículas al lecho. ← Se puede operar con combustibles de bajo punto de fusión de las cenizas sin provocar ensuciamiento en las superficies de intercambio de calor.50 % del aire total. todo esto permite una importante reducción de la emisión de NOx. Las calderas con LFC que trabajan con carbón operan con velocidades del orden de los 6. siendo el método más utilizado. véase la figura 6. En general la combustión en hornos de lecho fluidizado presenta las ventajas siguientes: ← Temperatura baja y uniforme en todo el lecho de manera que no se produzcan puntos calientes. En los LFC muchas más partículas son arrastradas que en el caso del LFB. La penetración del chorro de aire secundario en el lecho es fundamental y depende de: diámetro de las toberas de suministro. esta superficie puede ser mínima o no existir.11) y en algunas de LFB ( cuando no tienen superficie de transferencia de calor en el lecho) se utilice un suministro de aire secundario con el objetivo de completar la combustión e incrementar la turbulencia. En este caso el tiempo de residencia de las partículas depende de la tasa de recirculación de sólidos.15 – 0.10. Con vista a evitar la contaminación atmosférica los gases deberán ser purificados. y disminuyendo la componente vertical promedio de la velocidad del aire suministrado. ángulo y velocidad del aire y el combustible. Este horno quema el bagazo en suspensión a través de chorros de aire suministrados por toberas colocadas en las esquinas. los cuáles son suministrados por toberas y en ocasiones van acompañados uno del otro. Esto favorece la asimilación de cambios en la calidad del bustible. de esta forma se producen con mayor intensidad los fenómenos de transferencia de masa y calor que favorecen la combustión. Es por ello obligatoria la característica cuadrada de la sección del horno para que no existan zonas de débil aerodinámica. Este modo de combustión en suspensión presenta una serie de ventajas ya que aumenta el mezclado aire combustible. Hornos de torbellino vertical. El sistema de quemado del combustible en torbellino vertical fue desarrollado en sus inicios para la utilización del carbón como combustible aunque ya en la década del 80 se empezaron a utilizar para la combustión del bagazo. El horno dispone a su vez de diferentes niveles de toberas que pueden oscilar entre 3 y 5. Para lograr una alta eficiencia en la combustión en suspensión es necesario que el tiempo de combustión de las partículas sea menor que el tiempo de permanencia de estas en la cámara del horno y que el suministro de aire sea a velocidades tales que mantengan a las partículas mayores en suspensión y que las de menor tamaño no sean arrastradas. todo ello se ha resuelto con la utilización de los hornos de torbellinos. condicionan el paso del quemado de este combustible en capa o semisuspensión sobre la parrilla al quemado en suspensión.3. estas condiciones son afectadas por el carácter polidisperso y polimorfo del bagazo. así como la alta humedad y la variedad en el tamaño de las partículas lo cuál conlleva a que estas partículas en combustión se quemen en tiempos desiguales. ← Requiere menos preparación del combustible que los sistemas de combustión a la llama. hornos de torbellino horizontal. ayudado por la aerodinámica del horno. y facilita el control de la temperatura. aumentando los tiempos de permanencia de las partículas en la cámara del horno. creando un torbellino en el eje vertical de la cámara de combustión. En este modo de combustión uno de los parámetros de mayor influencia en el proceso de combustión es el tiempo de residencia del combustible en el horno. así como reducir las pérdidas por calor sensible en los gases producto de la combustión. . hornos ciclónicos o de lecho fluidizado. la presencia en el combustible de diferentes densidades. atendiendo a la especificidad de este tipo de combustible (polimorfismo y alto contenido de humedad) en hornos que permitan la circulación múltiple de las partículas en las zonas de combustión tales como los hornos de torbellino vertical. La necesidad de lograr mayores capacidades y eficiencias en las calderas que queman bagazo. lo que hace se disminuyan las pérdidas por incombustión. se pueda reducir el coeficiente de exceso de aire hasta valores de 1.dada la gran masa caliente que forma el inerte en el lecho fluidizado. En Cuba ya se aplica este método para la combustión del bagazo integral con un 50 % de humedad. distribución. contando cada nivel con 4 toberas. ← Hornos de combustión ciclónica. aunque disminuye la concentración de oxígeno. conduciendo a una estabilización de la inflamación. ya que además de aumentar los tiempos de residencia de las partículas en la cámara del horno. Valores de referencia de la cantidad de aire suministrado se dan a continuación: ← Aire primario por los tres niveles de toberas = 0. intensifica los fenómenos de transferencia de masa y calor en la zona químicamente activa de la llama. lo que en definitiva provoca un rápido aumento de la velocidad de reacción. sino que pueden ser rectangulares también. La recirculación de productos calientes a la base de la llama. mientras que el aire secundario se suministra por la periferia del conducto del combustible de manera que las partículas finas no se separen de la corriente gaseosa y se puedan quemar rápidamente mientras estén en la zona de combustión.15 ← Aire secundario por las toberas traseras = 0. Modo de combustión a la llama. aumenta la temperatura de dicha zona. diámetro del círculo imaginario formados por los chorros de aire en el volumen del horno y distribución del aire.1 Hornos de torbellino horizontal. El aire restante se suministra a través de toberas situadas a todo lo largo de la parte inferior del horno y en ocasiones a través de toberas inclinadas situadas en la pared trasera.en dependencia del tipo de combustible.15 ← Aire secundario bajo la parrilla = 0. Este modo de combustión se caracteriza por un continuo movimiento del combustible junto con el aire y los productos de la combustión en la zona de la llama. la solución dada a la organización de la aerodinámica del horno. llamada zona de turbulencia y en la parte alta se queman las partíc ulas más ligeras Este horno tiene la característica de no tener solamente una sección cuadrada. La zona de recirculación es muy importante en la estabilidad de la llama. La interacción de estos chorros provoca la formación de un intenso torbellino que permite la circulación múltiple de las partículas. ← Quemador de partículas finas de bagazo. La fracción más pesada se quema en la parte baja del horno. número y disposición de los niveles de toberas.8 ← Aire secundario por los lanzadores = 0. El combustible y parte del aire necesario para la combustión se suministran por medio de distribuidores neumáticos a través de toberas inclinadas situadas en la pared frontal. La experiencia de pruebas termotécnicas realizadas en una caldera con hornos de torbellino vertical instalado en el país muestran la influencia que tienen sobre la eficiencia de la combustión y el rendimiento de la instalación. En este modo de combustión una característica muy importante es la preparación previa del combustible para poder ser suministrado conjuntamente con el aire primario. . El horno de torbellino horizontal está en fase de experimentación en Cuba. 8 |Carbón:25.4 31.3 – 1.20 | | . donde la cantidad de aire es más limitada por lo que esta características es su principal deficiencia. Segu idamente. En estos tipos de hornos se debe cumplir para lograr una buena combustión: 1. El horno ciclónico basa su principio de funcionamiento en el método de torbellino.En este tipo de combustión las partículas más finas se queman en la zona inicial de la llama. no se tiene referencia de su utilización con combustible bagazo.30 |1. (Ya visto en los quemadores a la llama). Horno de combustión ciclónica. La acción centrífuga o de remolino del combustible dentro del horno es producida por la entrada a altas velocidades del aire secundario por registros tangenciales (aproximadamente a 107 m/s). en un compartimiento cilíndrico completamente enfriado por agua que recibe el combustible transportado por el aire primario. y de modo esquemático.5 mm | |(partícula) |mallas |Normalmente: 6.4 mm |bagazo integral | |Máxima temperatura de la cámara |1650 –1930 (C |800 – 900 (C |>1650 (C | |Tiempo de permanencia de la partícula en |Igual al tiempo de los gases |Mayor que en cámara y menor que |Parrilla fija: todo el necesario.18-31.25 |1.7 | | | |Normal 1.05 – 1. se hará una comparación de la combustión en lecho fluidizado con otros modos de combustión. Estos hornos se han utilizado con carbón y en Cuba se han hecho intentos con cáscara de arroz. Disminución del diámetro de partículas. El combustible es introducido al quemador tangencialmente y lanzado hacia la superficie cilíndrica por la entrada de aproximadamente el 15 % del aire primario que se suministra conjuntamente con el combustible. 2. |Parámetros |Cámara (llama) |Lecho fluidizado |Capa | |Tamaño del sólido |70% pasa por un tamiz de 200 |Carbón: 3. En estos hornos el tiempo de combustión no debe superar el tiempo de permanencia de los gases en la cámara del horno. Aumento de la velocidad de flujo de aire Quemadores de partículas finas. por lo que la ceniza se extrae de forma líquida por una abertura en la zona de post combustión. | |la cámara | |en capa |Parrilla móvil según velocidad de la | | | | |parrilla | |Coeficiente de exceso de aire |1.10 – 1. mientras que las de dimensiones medianas o grandes se queman más adelante. el cual es inversamente proporcional a la carga térmica volumétrica del horno. En estos hornos se alcanza gran intensidad en el remolino y se alcanzan temperaturas del orden de los 1700 ºC y más. Combustión en cámara. lo cual reclama de un menor exceso de aire y una mejor relación aire combustible. con el correspondiente gasto de energía. el gasógeno y el horno (lo que incrementa los costos de inversión). ya que se apagaría el horno y caerían bruscamente los parámetros del vapor. ← Logran alta turbulencia y buen mezclado aire combustible lo que permite alta eficiencia en la combustión. para lograr una correcta dispersión del combustible en el horno. El proceso de combustión con gasificación independiente (obtención de un gas combustible) fue utilizado en décadas pasadas. . El quemado en fase gaseosa en este modo de combustión con gasificación previa se intensifica por el aire secundario suministrado por grandes toberas situadas a niveles por encima de la normal altura de la pila. esto hace que se comience un proceso de secado. En todo proceso de combustión en que interviene un combustible que posea humedad y algunas fracciones de volátiles. Ventajas y desventajas. su combustión ocurre en tres etapa: ← Secado ← Emisión y combustión de volátiles ← Combustión del coque. ← Estos hornos permiten gran apantallamiento. lo cual crea una especie de torbellino en el eje vertical. esto se produce debido a la pobre capacitancia de combustible que poseen. consiste en gasificar el combustible en equipos diseñados especialmente para ello y transportar el gas por tuberías hasta los quemadores. Ventajas ← Se obtienen altos valores de temperaturas en el horno (1200 ºC-1700 ºC) lo que beneficia el proceso de combustión. Desventajas ← Necesitan de alimentadores neumáticos o mecánicos. La idea es suministrar aproximadamente el 20% del aire primario por debajo de la pila o la capa de combustible. ← Se necesita de un personal más calificado para la operación de la caldera. ← Se puede mecanizar el sistema para la extracción de cenizas. ← Respuestas rápidas ante los cambios de demanda. Todos estos gases combustibles ascienden a la zona superior de la pila donde se mezcla con el aire secundario (fracción mayoritaria del aire total) efectuándose la combustión en fase gaseosa. ← No puede faltarle el suministro de combustible. Estas limitantes se resuelven en gran medida con la gasificación previa usando hornos de la industria azucarera adaptados para desarrollar dicha combustión. ← Utilizan menos coeficientes de excesos de aire. posteriormente la emisión de volátiles y la gasificación del coque. Combustión con gasificación previa. lo que traería como limitantes: ← La necesaria construcción de dos instalaciones. ← El aumento de las pérdidas de calor por radiación. ← Peligro de destrucción del calentador de aire por combustión secundaria de las partículas de hollín. Cuando se pone en marcha una caldera con petróleo se deben seguir los siguientes pasos: 1. Abrir las compuertas de los conductos de aire que van a los quemadores y las compuertas de los quemadores que se van a poner en operación. En caso de hornos con parrilla se deben cubrir los caballitos con una capa de ceniza. ventilar el horno y los conductos de gases de la siguiente forma: 5. ya que se altera su régimen térmico. . 7. ←E nsuciamiento excesivo de las conductos de gases por insuficiencia en la combustión del petróleo y contaminación del medio ambiente. arena o ladrillos chamota. En caso de lanzadores mecánicos se deben mantener en funcionamiento los circuitos de enfriamiento. estable de 2 ó 3 mm. eliminar las insuficiencias y reintentar la puesta en marcha. Para evitar este fenómeno no debe generarse con petróleo más del 50 % del total de la carga. Poner en marcha el quemador o quemadores seleccionados de acuerdo a sus características. 4 Características técnicas de los hornos. Aunque no es recomendable el uso de petróleo en la caldera diseñadas para quemar bagazo como combustible.3 Calderas bagaceras operando con petróleo. Prepara para el trabajo el sistema de petróleo. por las altas temperaturas provocadas por las radiaciones de la llama. 8. En caso de averías que no permitan la puesta en funcionamiento del quemador. 2. de grano no menor de 100 mm. cumpliendo los parámetros de temperatura. Este régimen de combustión no es conveniente y se producen los siguientes inconvenientes: ← Complejidad de control de la combustión (relación aire combustible). existen casos en que debido al déficit de mismo es necesaria su utilización. presión de petróleo y vapor en caso que el sistema sea de atomización con vapor. como mínimo. Abrir las compuertas frontales del horno o puertas leñeras. depositados en el mismo. En algunos casos especiales se produce la combustión combinada de petróleo y bagazo. Operar las compuertas del ventilador de tiro inducido con el objetivo de lograr un vacío en el horno. 6.. En este tipo de régimen el control de la combustión debe hacerse manual. Cerrar las ompuertas de aire debajo de la parilla o de aire a la pila en casos de hornos de herradura. 3. Abrir las válvulas previstas para la puesta en marcha. se debe airear el horno durante 10 min. ← Peligro de fusión de la parrilla en el caso de este tipo de horno. Poner en macha el ventilador de tiro inducido con las compuertas cerradas . 4. Para los combustibles más comunes se dan los valores permisibles en la Tabla A-3. La partícula debería entonces tener un tiempo de combustión inferior a este lo que deb erá lograrse con las condiciones del horno y de preparación del combustible para poder alcanzar una alta eficiencia en la combustión. Carga térmica específica de la parrilla. los más importantes son: Carga térmica especifica volumétrica.Carga térmica específica superficial. Carga térmica específica superficial La carga térmica especifica superficial es un parámetro que define el limite de su capacidad para quemar combustible. como se comprenderá es solo evaluable cuando se opera el horno con un combustible sólido quemado en capa. en función de su sección transversal. Fh .Área de la sección transversal del horno (m2). La carga térmica específica de la parrilla es el parámetro límite de la capacidad que tiene la parrilla para quemar combustible. El empleo de valores bajos de qV significaría una subutilización del horno mientras que valores excesivamente altos comprometen la eficiencia de la combustión. Vh – Volumen activo del horno (m3). Qd – Calor disponible (kJ/kg). Este parámetro se define como: [pic] (kW/m2) Donde: qA .Las características técnicas de los hornos son los parámetros térmicos que presentan y que los caracterizan. Se define como: [pic] (kW/m2) Donde: qf . para quemar combustible de manera eficiente en función de su volumen activo. Los homos presentan valores de qf que varían entre 1300 y 9300 kW/m2. La carga térmica específica volumétrica del horno es el parámetro que define el límite de su capacidad. Estas cargas térmicas se corresponden con tiempos de permanencia en hornos típicos. Se define como: [pic] (kW/m3) Donde: qv – Carga térmica específica volumétrica (kW/m3). que están en el orden de 3 a 1 segundo aproximadamente. Bq – Gasto de combustible quemado (kg/s). . En la tabla A-3 pueden verse recomendaciones de valores típicos.Carga térmica específica de la parrilla. Los hornos de calderas presentan por lo general una carga térmica específica volumétrica que varía entre 160 y 470 kW/m3. R . .Área activa de la parrilla (m2) Los hornos para calderas presentan valores de qA que varían desde 1200 hasta 1700 kW/m2. El empleo de valores bajos de qA significa una subutilización de la parrilla mientras que valores excesivamente altos comprometen la eficiencia de la combustión. en la Tabla A-3 pueden verse algunas recomendaciones.
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