Combustion en Altura

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COMBUSTIÓN EN ALTURA Ing. Percy Castillo Neira PRESENTACIÓN La tecnología de la combustión del Siglo XX fue desarrollada por los fabricantes de maquinaria y equipo, por lo cual, en forma equivocada, se otorgó mayor importancia a todos los aspectos vinculados con el combustible, minimizando la importancia del aire. Este lamentable, pero explicable error, considerando que los precios de los combustibles son cada vez mayores y la disponibilidad ilimitada del aire en la atmósfera, ha determinado muchas limitaciones en la eficiencia de la combustión y problemas de contaminación ambiental por emisión de inquemados en todos los sectores.

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COMBUSTIÓN EN ALTURA

Ing. Percy Castillo Neira

PRESENTACIÓN La tecnología de la combustión del Siglo XX fue desarrollada por los fabricantes de maquinaria y equipo, por lo cual, en forma equivocada, se otorgó mayor importancia a todos los aspectos vinculados con el combustible, minimizando la importancia del aire. Este lamentable, pero explicable error, considerando que los precios de los combustibles son cada vez mayores y la disponibilidad ilimitada del aire en la atmósfera, ha determinado muchas limitaciones en la eficiencia de la combustión y problemas de contaminación ambiental por emisión de inquemados en todos los sectores.

Al efectuarse la combustión en altura tales limitaciones e ineficiencias se han agudizado, debido a que los combustibles no se afectan, mientras que las características del aire atmosférico varían considerablemente, afectando su calidad como comburente, su aporte de energía cinética para formación de llama y las condiciones de transferencia de calor en las cámaras de combustión, los procesos y operaciones implicados. En condiciones atmosféricas normales la eficiencia de combustión depende de la calidad del diseño de los quemadores y los reactores de combustión, su adecuación a las características de las operaciones y procesos para los cuales se libera el calor y la calidad de operación de los sistemas en todo su conjunto. Al utilizar en altura, instalaciones, equipos y sistemas diseñados para operar con condiciones atmosféricas normales, resultará prácticamente imposible conseguir niveles de seguridad, producción y eficiencia satisfactorios, sin conocer y compensar los factores que resultan afectados. La Teoría Inorgánica de la Combustión, al desarrollar una nueva concepción de la tecnología de la combustión, demostrando que siempre el aire es más importante que el combustible en la combustión, ha permitido cambiar la realidad, permitiendo la factibilidad permanente de la optimización de la combustión en plantas industriales. La nueva tecnología desarrollada, coincidente con la tendencia a la simplificación de la tecnología que prevalece en el Siglo XXI, resulta particularmente valiosa cuando la combustión se efectúa en altura, permitiendo compensar la menor disponibilidad másica de oxígeno en el aire, la mecánica de fluidos para formación de llama y la transferencia de calor para aprovechamiento del calor liberado.

1. FUNCIONES DEL AIRE EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN En el proceso fisicoquímico de la Combustión el aire cumple diversas funciones, pudiendo clasificarlas en la siguiente forma: 1.1 Función Química como Comburente Como Comburente, aporta el Oxígeno requerido para la reacción de combustión que permite liberar la energía química, almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles, en forma de calor.

Su alto contenido de Nitrógeno, en condiciones térmicas elevadas, forma NOx que resulta un factor contaminante de la atmósfera. 1.2 Función Mecánica como Aire Primario

Aporta la energía cinética requerida para producir el nivel de turbulencia que determina la velocidad de la combustión y la longitud de la llama. En el diseño del quemador se divide en aire axial, radial y de transporte, cuando se quema carbón. La relación entre las masas y velocidades de aire primario y secundario determinan el control de succión de este último al interior de la llama. En el caso de sistemas de carbón pulverizado actúa como aire de transporte. 1.3 Función Termodinámica como aire y gases de combustión En los sistemas de combustión el aire puede cumplir diversas funciones en el campo termodinámico;

• Refrigeración del cuerpo del quemador

• Disminución de la temperatura de llama por exceso de aire

• Aporte térmico a la llama como aire precalentado

• Aporte químico de masa de Oxígeno como aire refrigerado Al determinar el nivel de exceso de aire y volumen de gases de combustión resulta determinante para las condiciones de transferencia de calor por radiación en la llama y por convección en los circuitos de circulación de gases y transferencia de calor a las operaciones y procesos de los sistemas productivos. 2. Caracterización de la influencia de la altura sobre la función química del

aire como Comburente

La fuente de oxígeno para la combustión más abundante, barata y fácil de manejar es, indudablemente, el aire. Esta condición de fuente inagotable de oxígeno y la permanente disponibilidad del aire en cualquier condición de tiempo y espacio, conduce con frecuencia al error de minimizar su importancia en el proceso de combustión. En forma similar a la que debe permitir el perfecto conocimiento del combustible empleado, el aire de combustión también debe ser caracterizado, tanto en los aspectos que definen su empleo como comburente, como para asegurar que sea aportado al quemador en las condiciones previstas en su diseño.

El análisis de la composición del aire es sumamente compleja y variable en función del lugar y del tiempo. En primer lugar, el aire en la naturaleza nunca se encuentra seco. La variación de su humedad, depende de la presión y la temperatura. Durante el aporte de aire a los procesos de combustión, la humedad del aire trabaja robando calor al sistema. Su composición en cuanto a gases no condensables es también incierta. Si suponemos una composición media: % en volumen ppm en volumen Nitrógeno 78,084 +- 0,004 Oxígeno 20,946 +- 0,002 CO2 0,033 +- 0,001 Argon 0,934 +- 0,001 Neon 18,18 +- 0,04 Helio 5,24 +- 0,004 Kriptón 1,14 +- 0,01 Xenón 0,087 +- 0,001 Hidrógeno 0,05 +- 0,001 N2O 0,5 +- 0,1 En la que no se consideran trazas de otros compuestos que, sin embargo, se detectan habitualmente, como el CO, SO2, hidrocarburos ligeros y especialmente ozono en ciertas circunstancias meteorológicas podemos concluir que el formular una reacción estequiométrica válida para un tipo de combustión es prácticamente imposible. Para efectos prácticos resultará suficientemente correcto considerar la siguiente composición, a nivel del mar, en condiciones normales de presión (760 mm de Hg) y temperatura (0ºC):

Nitrógeno: 79% en volumen (77% en peso) Oxígeno : 21% en volumen (23% en peso)

A diferentes alturas respecto al nivel del mar, resultará necesario considerar la variación de presión que experimenta y su influencia sobre sus características como comburente. En la Figura 1.1 se muestra la curva de variación de presión atmosférica con la altura.

Figura 4.1 Altura vs. Presión atmosférica

Tomando en cuenta la definición de presión de los gases, que se explica por el mayor o menor número de impactos moleculares sobre el recipiente que los contiene, podemos utilizar este concepto de actividad molecular para justificar el mayor volumen que ocupa la misma masa de aire a mayores niveles de altura, al liberarse parcialmente de la presión que soporta de la masa atmosférica. En la Figura 1.2 se muestra la corrección del volumen del aire con la altura a diferentes temperaturas.

Para establecer con objetividad un factor de evaluación de la calidad del aire como comburente, formulamos conceptualmente el término "poder calorífico del aire", definiéndolo como la cantidad total de energía (Kcal) que es capaz de liberar un volumen (m

3) de aire por efecto de la reacción de su contenido de oxígeno con

carbono. En la Figura 1.3 se muestra la variación del "poder calorífico del aire" con la altura.

A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 915 Kcal/m

3N; al

realizarse la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico. Finalmente, para conseguir la combustión completa más próxima a la teórica y según el estado físico del combustible (granos, polvo, líquidos, gases y dispersiones) es preciso emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica por razones físicas de contacto que después detallaremos. De aquí el llamado “exceso de aire sobre el teórico necesario”. Este exceso de aire con lleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propósito de la combustión:

• Disminución de la temperatura máxima posible, al aumentar la cantidad de gases en la combustión.

• Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados, en el nitrógeno del aire empleado.

3. Caracterización de la Influencia de la altura sobre la función cinética del aire primario

La formación de llama constituye un problema de mecánica de fluidos en el cual el combustible siempre se disocia en sus componentes y termina como una partícula de coque suspendida en el aire, resultando determinada la velocidad de la reacción heterogénea C + O2 con el oxígeno por la intensidad

de la mezcla creada por la succión del flujo dominante (aire primario) sobre el flujo con menor impulso (aire secundario). Siendo el impulso una fuerza determinada por el flujo másico y su velocidad : kg/seg x m/seg. = kg-m/seg

2 (Newton), la variación de la densidad del aire con

la altura determinará que disminuya proporcionalmente el flujo másico, disminuyendo proporcionalmente su impulso y energía cinética disponible para la formación de llama. Esta condición resultará variable para los distintos tipos de quemadores, resultando más afectados los que trabajan con aire a baja presión, utilizando ventiladores y menos influenciados por aquellos que utilizan sopladores para el suministro de aire primario.

En la Figura 4 se muestra la curva de diseño típica de un ventilador, pudiendo

apreciar las variables que determinan y caracterizan su comportamiento : Caudal, presión estática y Potencia absorbida por el motor (H.P).

La menor densidad del aire en altura determinará que para el mismo volumen impulsado por el ventilador, el flujo másico será proporcionalmente menor, disminuyendo en la misma forma el impulso aportado al quemador. La eficiencia de los ventiladores también resulta afectado por la menor densidad del aire debido a la menor capacidad de impulso de los álabes, disminuyendo la presión estática. En la llama se producirá menor intensidad de mezcla, con la tendencia de demorarse la combustión y alargarse la llama, pudiendo salir de la cámara de combustión sin completarse, con inquemados y pérdida de poder calorífico del combustible. 4. Caracterización de la Influencia de la altura sobre la función del aire como

Fluido Termodinámico La combustión es un proceso fisicoquímico dentro del cual la termodinámica resulta de fundamental importancia. Las características del aporte de aire al quemador influencian su comportamiento en diversas formas:

• Actuando como refrigerante de quemadores expuestos a la radiación y/o convección de las cámaras de combustión.

• Influenciando el flujo másico por calentamiento (recuperadores) o enfriamiento (turbos).

En el desarrollo de la combustión (llama), la disponibilidad de oxígeno, el diseño de la cámara de combustión y la intensidad de mezcla determinan las condiciones termodinámicas que aceleran la reacción química y la transferencia de calor. En la altura, todos los factores mencionados resultan afectados, disminuyendo la disponibilidad de calor con la menor presencia de oxígeno, afectando la temperatura de llama y la transferencia de calor por radiación, lo cual determinará una cámara más fría y alargamiento de llama; el mayor volumen ocupado por el aire podría determinar la inadecuación de las dimensiones de la cámara como reactor de combustión. Desde el punto de vista de la eficiencia del sistema, al ser mayor el volumen requerido para quemar la misma masa de combustible (C/H), el volumen de gases producido será consecuentemente mayor, debiendo circular a mayor velocidad a través del horno y el precalentador. Este paso más rápido de los gases disminuye la transferencia de calor por convección y podría determinar una limitación de la capacidad de producción si no se tiene suficiente capacidad de extracción y eliminación de gases (tiro).

5. ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS

Para entender con mayor objetividad la influencia de la altura sobre los procesos de combustión, podemos analizar sus principales formas de utilización industrial: 5.1 Calderos Pirotubulares En este tipo de calderos los gases transcurren por el interior de los tubos, transfiriendo principalmente calor por convección al agua contenida en el exterior (tanque). Su operación en altura se afecta en la siguiente forma:

• La menor disponibilidad de oxígeno disminuye proporcionalmente la capacidad real de generación de vapor, calentamiento de agua o calentamiento de fluidos térmicos.

• El agrandamiento de la llama produce contacto con las paredes y consecuente formación de coque en las paredes y hollín en los tubos y los gases de salida.

• El menor impulso en el aire primario aumentará la probabilidad de alargamiento y despegue de llama.

Caso real: Al instalar un caldero de 300 H.P. en una instalación industrial ubicada a 3800 msnm se pudo comprobar que la máxima capacidad de generación de vapor que se pudo lograr fue de 2.600 Kg/h equivalente al 55% de lo indicado en la placa del caldero como capacidad nominal de producción. 5.2 Calderos Acuotubulares En estos calderos la disponibilidad de volumen de la cámara es mayor, pero también mayor la complejidad del diseño del quemador, resultando de la mayor importancia la formación de llama cónica hueca para asegurar combustión completa y la máxima capacidad de producción. Se instaló un Caldero Acuotubular de 40 TM/hr de vapor de 40 bares y 430ºC en una central termoeléctrica ubicada a 2400 msnm, incluyendo en el diseño un recuperador de calor tipo regenerativo (Figura 5) para precalentar el aire de combustión con los gases de chimenea. Por efecto de la altura se disponía solamente de 210 gr de O2 por m

3 y por el calentamiento del aire a 100 ºC esta

disponibilidad de oxígeno disminuyó a 170 gr/m3. El resultado se manifestó en un

alargamiento de llama que produjo graves problemas al impactar en el sobrecalentador y nunca pudo producir más de 25 TM/Hr. Al reemplazar el recuperador por un economizador para precalentar el agua de alimentación, se logró regular la forma de llama, se alcanzó un promedio de 37 TM/hr y no se volvieron a presentar rotura de tubos en el sobrecalentador.

FIGURA 5 : Intercambiadores de calor regenerativos 5.3 Hornos de calentamiento y fusión Los Hornos de elevada concentración térmica para procesos de calentamiento directo y fusión de materiales, tales como los utilizados en Siderurgia, Metalurgia y vidrio resultarán limitados en sus niveles de producción y eficiencia, al ser instalados en altura, sin haber sido diseñados para compensar las deficiencias comentadas. La menor disponibilidad de oxígeno permitirá quemar solamente una cantidad limitada de combustibles, alcanzar temperaturas menores en las llamas y producir volúmenes mayores de gases a los considerados en el diseño. 5.4 Hornos de Cal y Cemento La disponibilidad de Calizas en zonas montañosas determina que existan muchos Hornos de Cal y Cemento en zonal altas, lo cual perjudica sus niveles de producción y eficiencia. Resulta particularmente interesante el tratamiento dado por los fabricantes de quemadores a los productores que no alcanzan los parámetros estimados para los diseños y dimensionamientos normales, lo que demuestra la poca experiencia

mundial en el tratamiento de la combustión en altura y la escasa capacidad de análisis y criterio para compensar sus inconvenientes. Los factores que afectan la química, cinética y termodinámica de la combustión en la llama del quemador principal del horno cementero determina fuertes limitaciones en la cantidad y calidad de producción, ocasionando problemas en la formación de costra y anillamientos por alargamiento de llama. 5.5. Generadores de aire para secado El secado es el proceso industrial más frecuente en la industria, por lo cual su análisis reviste especial importancia. Cuando se debe generar gases calientes para secado en altura el principal problema es la calidad de los gases como fluido secador, en la medida que disminuye su disponibilidad de masa que al ponerse en contacto con el cuerpo húmedo disminuye su capacidad de extracción de agua por arrastre y contacto directo.

Al disminuir la densidad de los gases generados, también deberá incrementarse la velocidad de paso de los gases, disminuyendo el tiempo de permanencia y contacto que permite un intercambio efectivo entre los productos húmedos y gases secos (Figura 6).

6. Compensación de las deficiencias del aire en Altura 6.1 Efecto Químico: Enriquecimiento del aire con oxígeno Existen 3 métodos de enriquecimiento del aire : - Enriquecimiento general del aire - Inyección directa de oxígeno en la llama - Empleo de un quemador auxiliar oxi-fuel La justificación de su aplicación, además del incremento de la producción, obedece a las siguientes causas: a) Mantener la estabilidad de la llama con combustibles de baja velocidad. b) Reducir el volumen de gases de combustión. c) Reducción o eliminación de la presencia de inquemados. La principal aplicación del enriquecimiento del oxígeno se proyecta al incremento de la temperatura de la llama y disminución de gases de combustión en procesos muy intensivos en calor y/o que se desarrollan a altas temperaturas, tales como hornos de fundición general. La combustión con Oxígeno también representa una opción elegible y frecuentemente utilizada para procesos de fusión en altura, siempre que el precio del oxígeno resulte aceptable y se pueda manejar las elevadas temperaturas de llama (>3000 ºC). 6.2 Efecto Mecánico: Diseño de quemadores Los quemadores para operar en altura deben ser especialmente diseñados para disponer de la potencia requerida para conformar la llama que requiere cada reactor o cámara de combustión Al disponer de suficiente capacidad de impulso en el ventilador, probablemente soplador, se podrá disponer de suficiente energía cinética para conseguir las condiciones de mezcla requerida para disponer de la velocidad de combustión y el swirl que resulten adecuados para los reactores o cámaras de combustión de cada caso.

6.3 Efecto Termodinámico: Diseño de instalaciones Para compensar las deficiencias termodinámicas de instalaciones industriales se tendría que elegir una de estas alternativas:

• Diseñar instalaciones que operen a condiciones de presión controladas, superiores a las atmosféricas en altura, probablemente similares a las que se tienen sobre el nivel del mar.

• Diseñar instalaciones que teniendo que operar a las menores presiones

atmosféricas que se tienen en altura, dispongan del dimensionamiento de cámaras de combustión y circuitos de gases adecuados para mantener condiciones de circulación de gases y transferencia de calor similares a las atmosféricas.