PRESENTACIÓN
El carbón mineral impulsó la revolución industrial y suministro la energía que cambi ó el mun do en el Sigl o XIX; en el Siglo XX, la abundancia, economía y posibilidades técnicas del petróleo lo convir tieron en un factor gr avita nte para la e conomía mundial; el Gas Natural es el co mbu stib le del Siglo XXI. Su principal componente, el metano, es el punto de partida de la cadena orgánica y constituye una molécula perfecta, su combustión es perfecta y produce moléculas perfectas: Dióxido de Carbono y Agua; sin embargo, toda esta perfección no esta siendo bien aprovechada porque mayormente se aplica utilizando tecnología concebida y desarrollada para combustibles líquidos. El Gas Natural es tan liviano que debe distribuirse por tuberías, no r esultando económicamente viable su almacena miento, lo qu e complica su comercialización y favorece su precio. La ventaja económica de su utilización y el desconocimiento de sus grandes ventajas técnicas respecto al carbón y al petróleo, han limitado el desarrollo de una tecnología de aplica ción propia para el Gas Natural. En este libro pretendemos un aporte si gnificativo en este ca mpo, proporcionando información respecto a sus características fisicoquímicas en el marco de la Teoría Inorgánica de la Combustión y enfocando sus posibilidades y ventajas como combus tible industrial con la imaginación, fundamento y criterio que requi ere la me jor ingeni ería.
CAPITULO I: TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL 1.1 Materia y energía 1.2 Combustión orgánica y combustión inorgánica 1.3 Combustibles y comburentes industriales 1.4 Calor de disociación y poder calorífico de los combustibles 1.5 La partícula de carbón elemental como núcleo básico de la combustión industrial
CAPITULO II: LA COMBUSTIÓN COMO REACCIÓN QUÍMICA 2.1 Mecanismo general de las reacciones de combustión 2.2 Esquema básico de la combustión industrial 2.3 Tipos de combustión 2.3.1 En función de sus productos 2.3.2 Por la forma en que se realiza 2.4 Mecanismo de la reacción heterogénea 2.5 El reactor de combustión
CAPITULO III: LA COMBUSTIÓN COMO PROCESO FISICOQUÍMICO 3.1 La llama como manifestación visible de la combustión 3.1.1 Condiciones Límites paraque se produzca unallama 3.1.2 Tipos de llamas y su clasificación 3.1.3 Temperaturas de la llama 3.2 Formación de llama y gasondinámica de la combustión 3.3 Emisividad de llama y transferencia de calor po r radiación 3.4 Difusión de gases de combustión y transferencia de calor por convección 3.5 Estabilidad de llama y las 9 “tes” de la combustión
CAPITULO IV: EL AIRE DE COMBUSTIÓN 4.1 Caracterización del AireAtmosférico 4.2 Funciones del aire en elproceso de combustión 4.3 Combustible comburente y combustión 4.4 Combustión en altura y enriquecimiento del aire con oxígeno 4.5 Precalentamiento del aire de combustión
07 09 11 14 16 18 21 23 27 30 31 35 37 39 43 45 45 47 48 51 57 58 60 65 67 67 68 69 74
CAPITULO V: CARACTERIZACIÓN DEL GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE INDUSTRIAL
77
5.1 Caracterización del Gas Natural 5.2 Caracterización de gases combustibles 5.3 Características de combustión y llamas de gas natural 5.3.1 Límites de inflamabilidad 5.3.2 Temperatura de autoinflamación 5.3.3 Velocidad de propagación de llama 5.4 Combustión del Gas Natural
79 83 87 87 88 89 90
5.5 Análisis Comparativo del Gas Natural con Otros Combustibles Industriales
93
CAPITULO VI: ESTACIONES RECEPTORAS 6.1 Recepción del gas naturalen planta 6.2 Equipos de aparatos y valvulería 6.2.1 Filtros 6.2.2 Válvulas de cierre 6.2.3 Válvulas de seguridad 6.2.4 Reductores. Reguladores de presión 6.2.5 Cambiador de calor 6.2.6 Contadores 6.2.7 Registradores de presión y temperatura 6.3. Normas de instalación de Estaciones receptoras 6.3.1 Situación de la Estación 6.3.2 Seguridad Modo de instalación 6.3.3 respecto a instalaciones eléctricas 6.3.4 Precauciones diversas
CAPITULO VII: CIRCUITO INTERNO DE GAS 7.1 Red interior de tuberías 7.1.1 Determinación del trazado 7.1.2 Condiciones relativas a ciertos recorridos 7.1.3 Características de las tuberías 7.1.4 Determinación del diámetro de las tuberías 7.2 Comprobación, ensayos, puesta en servicio y paro de la explotación 7.2.1 Ensayo de resistencia mecánica 7.2.2 Ensayo de estanquidad 7.2.3 Control radiográfico de las soldaduras 7.2.4 Ensayo de funcionamiento
CAPITULO VIII: QUEMADORES DE GAS NATURAL 8.1 Funciones y condiciones básicas 8.2 Clasificación de los Quemadores de Gas Natura 8.2.1 Quemador atmosférico 8.2.2 Quemadores de gas/aire 8.3 Funcionamiento de los Quemadores 8.3.1 Encendido 8.3.2 Regulación de la potencia de fuego 8.3.3 Aire para la combustión 8.3.4 Controles de Seguridad 8.3.5 Dispositivos de control de combustión 8.4 Quemador y la cámara de combustión 8.5 Adaptación de los quemadores a los distintos gases y a la marcha mixta con fuel-oil 8.5.1 Quemadores con mezcla previa 8.5.2 Quemadores sin mezcla previa 8.6 Quemadores mixtos o multicombustibles 8.7 Elección del tipo de quemador
CAPITULO IX: GAS NATURAL EN CALDEROS INDUSTRIALES 9.1 Calderos Industriales 9.2 Designación de la Capacidad de los Calderos 9.3 Clasificación de los calderos 9.4 Presión y temperatura de trabajo 9.5 Criterios prácticos de selección de calderos 9.6 Uso del Gas natural en Calderos de Vapor 9.7 Equipos para calderos industriales 9.8 Conversión de calderos existentes a gas natural
99 101 104 104 105 108 109 118 119 124 125 125 126 128 129 131 133 133 135 138 142 144 145 145 146 146 149 151 154 155 158 159 159 160 161 164 164 174 177 178 179 180 188 193 195 196 199 200 201 202 205 210
9.8.1 Calderas construidas o equipadas para funcionar con fuel-oil 9.8.2 Calderas construidas o equipadas para funcionar con carbón 9.8.3 Funcionamiento mixto gas natural - fuel oil 9.9 Conversión de Calderos Pirotubulares al Uso del Gas Natural 9.9.1 Circuito de Combustión 9.9.2 Sistema de Control Operativo 9.10 Conversión De Calderos Acuotubulares Al Uso Del Gas Natural
211 211 213 218 221 227 230
CAPÍTULO X: APLICACIÓN DEL GAS NATURAL EN PROCESOS DE SECADO Y CAL ENTAMIENTO
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10.1 Definición y Objeto del Secado 10.2 Principios Básicos del Secado y sus Implicaciones Energéticas 10.2.1 Características del producto a secar 10.2.2 Secado por arrastre y por ebullición 10.2.3 Preparación previa del producto 10.2.4 Transferencia de calor y de masa 10.2.5 Las fases del secado 10.2.6 Sistemas de propagación del calor 10.3 Tipos de Secadores 10.3.1 Secaderos de ebullición 10.3.2 Secaderos de arrastre 10.4 Generación de Gases Calientes con Gas Natural 10.5 Aplicaciones Industriales del Gas Natural en Secado y Calentamiento 10.5.1 Calentamiento directo 10.5.2 Calentamiento indirecto 10.5.3 Operaciones térmicas específicas del gas 10.6 Gas Natural en la Industria Textil 10.6.1 Chamuscado de hilos y tejidos 10.6.2 Secado mediante cilindros 10.6.3 Presecado por radiación 10.6.4 Polimerización
235 236 236 237 242 243 244 246 247 249 250 250 254 254 262 266 267 267 268 268 268
10.6.5 Secado por convección 10.6.6 Máquina Rama
CAPITULO XI: EL GAS NATURAL EN LOS HORNOS DE CAL Y CEMENTO 11.1 Calcinación y Clinkerización 11.2 El Gas Natural en Hornos de Cal 11.3 Aplicación Práctica: Conversión de Hornos Verticales Tipo Batch en Hornos de Doble Cuba Regenerativos 11.4 El Gas Natural en el Horno Cementero 11.5 Aplicación Industrial: Quemadores sin Aire Primario
268 269 275 277 280 282 284 286
12.1 Reducción directa del mineral 12.2 Altos hornos 12.3 Hornos de fusión 12.3.1 Cubilotes de fusión de hierro fundido 12.3.2 Hornos de acero Martin Siemens 12.3.3 Hornos de fusión eléctricos
291 293 293 294 294 296 297
12.4 Hornos de tratamientos recalentamiento 12.5 térmicos 12.6 Atmósferas controladas 12.7 Gas natural en la metalurgia de metales no férricos
298 307 316 327
CAPITULO XII: GAS NATURAL EN LA SIDERURGIA Y METALURGIA
CAPITULO XIII: GAS NA TURAL EN L A INDUSTRIA DEL VIDRIO Y CERÁMICA
333
13.1 Industria del Vidrio 13.1.1 Hornos de balsa 13.1.2 Hornos de crisoles 13.1.3 Operaciones anexas a la fusión 13.2 Industria Cerámica 13.2.1 Secado 13.2.2 Cocción
335 335 340 341 346 347 348
CAPITULO XIV: GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA TEXTIL
359
14.1 Chamuscado de hilos y tejidos 14.2 Secado mediante cilindros 14.3 Presecado por radiación 14.4 Polimerización 14.5 Secado por convección 14.6 Máquina Rama
361 362 362 362 362 363
CAPITULO XV: RECOMENDACIONES PARA EL CONTROL Y MANTENIMIENTO DE EQUIPOS TÉRMICOS INDUSTRIALES UTILIZANDO GAS NATURAL
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15.1 Control y mantenimiento de los equipos térmicos de gas 15.2 Reparaciones, caso de averías 15.2.1 Averías de encendido 15.2.2 Paros intempestivos 15.3 Medios de control corrientes
374 374 375 375 375
CAPITULO
EORÍA INORGÁNICA T INDUSTRIAL
DE
LA
1
COMBUSTIÓN
1.1.
MATERIA Y ENERGÍA
Todo el universo conocido está constituido sólo por 2 componentes que no se crean ni se destruyen: Materia y Energía. No existe la materia inmóvil; siempre posee una cantidad de energía que la mantiene en movimiento. A la inversa, todas las formas de energía son materia en movimiento. La materia está constituida por átomos y moléculas, cuya configuracióndeda lugar aquela conforman existencialos de elementos; combinación los átomos elementos srcinanla las sustancias compuestas. La configuración interior característica de cada átomo da lugar a elementos y compuestos con características particulares. Existen 109 elementos conocidos que se han agrupado en la Tabla Periódica (Figura 1.1). Los átomos de cada elemento y las moléculas que conforman poseen una cantidad de energía que define sus propiedades físicas y actividad química. Las fuerzas que mantienen juntos los átomos en los compuestos se llaman enlaces o uniones químicas. La energía decinética molecularEndefine el sólido comportamiento fisicoquímico los compuestos: el estado la energía cinética es mínima, manteniéndose rígida la estructura molecular y forma de los sólidos. Al calentar el sólido y aumentar su energía cinética, llega a su punto de fusión en el cual la vibración molecular supera la atracción, adquiriendo fluidez. Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.
9
Figur a 1.1 Tabla Periódica del los Elementos
Al calentar los líquidos, la energía cinética molecular rompe la atracción y determina la formación de gases que llenan cualquier volumen al que tienen acceso (Figura 1.2). Figur a 1.2 Principales estados de la materia
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El comportamiento de los enlaces químicos que forman compuestos resulta relativamente normal y previsible en términos generales, pero en el caso del carbono presenta un margen inconmensurable de posibilidades de combinación y formación de compuestos. Es tan amplio y complejo el comportamiento químico del carbono, que ha dado lugar a que la química general se divida en química inorgánica y orgánica, referida esta última a los compuestos del carbono presentes en los organismos vivos. 1.2.
COMBUSTIÓN ORGÁNICA Y COMBUSTIÓN INORGÁNICA
De todas las formas de energía ninguna es tan útil y fundamental para la vida del hombre como la energía química. El maravilloso proceso químico de la fotosíntesis que realizan las plantas, utilizando como materias primas el agua absorbida por las raíces y el dióxido de carbono del aire a través de las hojas, permite dividir la molécula del agua gracias al efecto catalizador de la clorofila (Figura 1.3). Figura 1.3 Proceso químico de la fotosíntesis.
Excitada al ser expuesta a la luz del sol, la clorofila vibra rápidamente actuando como una especie de martillo que quebranta la molécula del agua, logrando lo que para el químico resulta difícil de hacer con 3,000ºC. La planta procede luego a juntar el hidrógeno al dióxido de carbono formando los carbohidratos, cumpliendo la siguiente reacción:
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6CO2 + 12 H2O
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
La ineludible Primera Ley de Termodinámica nos dice que la energía necesaria para fraccionar una molécula es igual a la energía que se obtiene cuando la molécula se vuelve a recomponer. Cuando ingerimos los carbohidratos y otros compuestos asimilables como alimentos, se desarrolla en nuestro organismo un proceso tan maravilloso como el de la fotosíntesis pero en sentido inverso, cumpliendo la hemoglobina el papel de la clorofila. La hemoglobina es una proteína contenida en los eritrocitos que constituye aproximadamente el 35% de su peso y les confiere la pigmentación que determina que se conozcan como glóbulos rojos. Para combinarse con el oxígeno, los eritrocitos deben contenerla en cantidad suficiente y esto depende de los niveles de hierro que existan en el organismo, los cuales se obtienen de los alimentos por absorción en el tracto gastrointestinal y se conservan y reutilizan de forma continua. La hemoglobina transporta más de veinte veces su volumen de oxígeno que distribuye a todos los tejidos del cuerpo humano. Su unión con el monóxido de carbono es irreversible, es decir, no puede volver a unirse al oxígeno ante lo que se srcina la asfixia. Los eritrocitos se destruyen en el bazo o en la circulación sanguínea después de una vida de 120 días; entonces, se degrada hastamedia sus constituyentes y el hierro su se hemoglobina reintegra en los eritrocitos nuevos que se forman en la médula ósea. Al respirar introducimos en los pulmones aire con 21% de oxígeno. Se inhalan y se exhalan más de 500 cc de aire en cada respiración; a esta cantidad se denomina volumen de aire corriente o de ventilación pulmonar. En los alvéolos pulmonares la hemoglobina de la sangre se satura de oxígeno convirtiéndose en oxihemoglobina y lo transporta a todo el organismo a través de las arterias del circuito sanguíneo, aportando el oxígeno a la combustión orgánica que se produce en las células de los tejidos y constituye la respiración celular; asimismo, absorbe el CO2 producido, convirtiéndose en carboheximoglobina y transportándolo a través de las venas hasta los pulmones para su espiración al exterior (Figura 1.4).
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Figur a 1.4 Intercambio de O2 / CO2 en los alvéolos pulmonares
Los combustibles constituyen para las plantas industriales lo mismo que los carbohidratos para nuestros organismos pero la forma en que se desarrolla su combustión resulta muy diferente a la que se desarrolla en el organismo. La combustión orgánica es químicamente compleja, lenta y se desarrolla a partir de compuestos por medio de una catálisis enzimática, cerrando el maravilloso circuito energético vital que se inicia en la fusión nuclear del sol y termina en los seres vivos, formando parte del equilibrio ecológico de la naturaleza (Figura 1.5). Figur a 1.5 Equilibrio ecológico de la naturaleza
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La identificación de la combustión industrial con la combustión inorgánica se inicia al producirse la conversión de las plantas y organismos vivos en yacimientos de recursos combustibles que deshidratados y desgasificados a través de los siglos han dejado de ser potencialmente aprovechables como alimentos, pues no podrían llegar a ser procesados en la forma de catalización enzimática que constituye la combustión orgánica. La combustión inorgánica es brutal, violenta y fulgurante, pero también simple y directa, porque se efectúa a partir de los componentes combustibles previamente disociados; todo ello exige quedeselos efectúen en forma heterogénea, con ignición previa y en un estado de mayor actividad termodinámica. La combustión orgánica se desarrolla en forma homogénea, sin ignición, puede demorar varias horas y constituye un proceso renovable al integrarse con la fotosíntesis; la combustión inorgánica siempre es heterogénea, y pese a cumplir las etapas de calentamiento, mezcla, ignición, reacción y desplazamiento de productos, se desarrolla en pocos segundos. La combustión inorgánica rompe el equilibrio ecológico y consume en instantes lo que la naturaleza ha demorado millones de años en almacenar. Cuando se agoten los recursos de combustibles fósiles, lo que seguramente sucederá en el siglo XXI, desaparecerá la combustión industrial comoalternativa energética. 1.3.
COMBUSTIBLES Y COMBURENTES INDUSTRIALES
Es una ley establecida por la ciencia, que la materia no se crea ni se destruye y que la energía liberada en cualquier proceso de combustión es exclusivamente exceso de energía que las nuevas moléculas formadas son forzadas a liberar, debido a su reordenamiento interno. En su concepción más simple, la combustión puede definirse como la acción de arder o quemarse de cualquier forma de materia combustible, por efecto de lareacción de sus elementos componentes con el oxígeno , formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de luz y calor. La gran mayoría de elementos químicos conocidos pueden combinarse con el oxígeno y casi todas las reacciones de oxidación son exotérmicas; afortunadamente, la naturaleza se ha encargado de simplificar el campo de la combustión, determinando que los combustibles industriales se encuentren
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constituidos fundamentalmente por carbono, hidrógeno y azufre, siendo el resto impurezas y componentes minoritarios. El azufre, presente en pequeñas proporciones, tiene mayor importancia como formador de agentes corrosivos, por lo cual resultará conveniente considerarlo como impureza, integrar su composición a la del carbono para efectos estequiométricos y analizar sus reacciones como problemas de post-combustión. En cuanto a comburentes se refiere, únicamente nos interesa el oxígeno; principalmente el aportado el constituido aire, al cual también consideraremos para efectos prácticos por como únicamente por oxígeno y nitrógeno. En algunos casos, resultará necesario tomar en cuenta el enriquecimiento del aire como comburente aumentando su proporción de oxígeno y el empleo de oxígeno puro, pero fundamentalmente nos interesa la combustión con aire atmosférico. Así, tenemos que las reacciones de combustión que nos interesan son única y exclusivamente las que se producen entre elcarbono e hidrógeno del combustible con eloxígeno del aire. La condición de fuente inagotable de oxígeno y su permanente disponibilidad en cualquier condición de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave error de minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnología de la combustión. La mayor incidencia económica del combustible en el costo del aporte energético que produce la combustión resulta un factor decisivo en este sentido. Al desarrollarse el campo de la conservación de energía como respuesta a la crisis energética y la elevación de los precios del petróleo, se dedicó mayor atención a todos los aspectos vinculados a los combustibles, considerándolos componentes fundamentales de la combustión. La teoría inorgánica de la combustión no solamente reivindica el aire como comburente. Al considerar que el átomo de carbono es el núcleo de la combustión y que su reacción es siempre heterogénea, establece como factor dinámico el componente fluido y como elemento estático la partícula sólida de carbón. Así, se puede afirmar que cuando se quema combustibles sólidos y líquidos, la combustión se controla mediante la regulación del flujo de aire. En el caso del gas natural y otros combustibles gaseosos, ambos fluidos pueden compartir tal preponderancia en el desarrollo de la combustión.
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Las funciones que cumple el aire en el proceso de combustión las podemos dividir en 3 grupos: Químicas : Aportando el oxígeno requerido por la combustión en su calidad de comburente. Mecánicas: Aportando la energía cinética para manejo de la turbulencia y formación de llama. Físicas : Actuando como medio de transferencia y recuperación de calor. El combustible a la cámara de de combustión en condiciones de participar en lallega reacción; el aporte energía cinética y oxígeno del aire determina la forma en que se desarrolla la combustión. 1.4.
CALOR DE DISOCIACIÓN Y PODER CAL ORÍFICO DE LOS COMBUSTIBLES
Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrógeno, siempre existirá una proporción de carbón que reaccione como sólido. La excepción podría ser el propio Hidrógeno, pero no constituye un combustible industrial. Para sustentar esta hipótesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200°C respectivamente, temperaturas que no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producirá la combustión de las partículas de carbón en forma heterogénea. La reacción sólido-gas típica de la combustión de la partícula de carbón se efectúa por difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas. La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible srcinal, influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilización de la partícula sólida cuando se trata de carbón mineral, el craqueo y gasificación de gotas en el caso de combustibles líquidos, y el craqueo de gases combustibles. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible.
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La simplificación del proceso de combustión en el caso particular de los hidrocarburos resulta fundamental en este campo. Las ilimitadas posibilidades de reacciones y productos intermedios con su inmensa complejidad entre el hidrocarburo y los productos de la combustión resultan un campo aparente para la investigación científica y un desafío de interpretación para el ámbito académico, pero a nivel técnico no nos interesa, porque transcurren en milésimas de segundo y no influencian mayormente el resultado de la reacción en cuanto a los productos finales y la energía liberada. Como pruebaque delosque siempre se produce la disociación se ha comprobado poderes caloríficos de diferentes hidrocarburos que se utilizan como combustibles industriales, determinados en forma práctica utilizando una bomba calorimétrica, siempre corresponde a la diferencia entre el calor teórico calculado a partir de la combustión de sus componentes, menos el calor de disociación. En la Figura 1.6 se muestra gráficamente como se desarrolla la combustión inorgánica en el caso del metano (CH4). Figur a 1.6 Combustión del Metano
17
1.5.
LA PARTÍCULA DE CARBÓN ELEMENTAL COMO NÚCLEO BÁSICO DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL
Hemos establecido que los combustibles industriales están conformados básicamente por combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con contenidos también variables de impurezas, y que sus componentes siempre se disocian y reaccionan en forma elemental. El hidrógeno reacciona en forma homogénea (gas-gas) en una combustión instantánea, aportando y vaporendeunagua. El carbón reacciona por difusión térmicacalor y molecular proceso de combustión heterogénea. En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del hidrógeno por 2 razones fundamentales: •
La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. El combustible más liviano es el metano (CH4) con una relación Carbono/Hidrógeno igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%.
•
La combustión del hidrógeno cualquier condición, mientras es queprácticamente el tiempo de instantánea reacción de en la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagación de la llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.
Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión resultará determinada por estas últimas y sólo influenciadas por elhidrógeno. De esta forma, el control sobre la llama exclusivamente dependiente de la combustión de laresulta partículacasi de carbón.
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El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido. •
En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas (500 A°), su combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad.
•
En el caso del combustóleo, las partículas de carbón producto del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable (10100 micras), demorando más su combustión, con llamas muy
•
luminosas y emisivas. En el caso de carbón mineral, el tamaño de partículas se maneja en la molienda en función de su contenido de volátiles (10-100 micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas siempre luminosas y emisivas.
Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3 combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del carbón en la forma que se muestra en la Figura 1.7. Figur a 1.7 Combustión de la partícula elemental de carbón
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TEORIA INORGÁNICA DE LA COMBUSTION Ing. Percy Castil lo Neira En el campo de la optimización de costos energéticos industriales, objetivo ineludible en tiempos de globalización, la capacitación de personal resulta un factor de fundamental importancia. La Teoría Inorgánica de lay Combustión simplifica la tecnología en este campo la pone al alcance de los ingenieros y técnicos de plantas industriales, permitiéndoles participar directamente en la optimización energética de los procesos industriales a su cargo. Los 5 postulados de la Teoría Inorgánica de la Combustión permiten recuperar muchos años perdidos en el limbo creado por la complejidad científica y la complicación académica, demostrando que la combustión en el campo técnico resulta maravillosamente simple. 1. Todos los combustibles industriales combinaciones carbono / hidrógeno.
son
2. Todos los combustibles se disocian en carbono / hidrógeno antes de reaccionar. 3. Siendo la combustión del hidrógeno instantánea, la partícula de carbón constituye el verdadero núcleo de la combustión industrial. 4. La naturaleza y el tamaño de las partículas de carbón y la disponibilidad de oxígeno en el medio definen las condiciones y posibilidades de desarrollo de la combustión. 5. El manejo de la combustión constituye fundamentalmente un problema de mecánica de fluidos.
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CAPITULO
LA
COMBUSTIÓN COMO REACCIÓN QUÍMICA
2
2.1. MECANISMO GENERAL DE LAS REACCIONES DE COMBUSTIÓN Para efectos del presente libro, hemos definido que los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido, también variable, de impurezas. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible. En el Cuadro 2.1 se muestran las principales reacciones de combustión que se presentan en la práctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que se encuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarse en los únicos productos finales de combustión, esto es, CO2 y H2O. En realidad, las reacciones de combustión del carbono y del hidrógeno con el oxígeno, son siempre elementales y únicas: C + O2 H2 + ½ O2
CO2 H20
Sea cual fuere el compuesto químico que se encuentre en el combustible, se disociará en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepción simple y básica, pero a la vez práctica y efectiva de las reacciones de combustión, permite efectuar con rapidez y precisión los cálculos estequiométricos que facilitarán su adecuado manejo y control. Sea un combustible que tenga una composición por kg. deC Kg. de carbono y H2 kg de hidrógeno.
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Cuadro 2.1 Principales Reacciones de Combustión CARBONO C + O2 -------- CO2 +97600 Kcal por Kmol CARBONO C+½O -----CO + 29400 Kcal 2 MONOXIDO DE CARBONO CO + ½ O 2---- CO 2 + 68200 Kcal HIDROGENO H2 + ½ O2---- H 2O + 58200 Kcal (vapor) + 69100 Kcal (liquido) AZUFRE S+ O2 --------- SO 2 +138600 Kcal METANO
CH4 + 2O2 ----
ETANO
C2H6+7/2 O2-----------
PROPANO
C3 H8 + 5O2------------
BUTANO
CO2 + H2O + 192500 Kcal (vapor) + 214300 Kcal (líquido) 2CO
2+
3H20 + 342000 Kcal (vapor) + 373600 Kcal (líquido)
3C0 2 + 4H20 + 485100 Kcal (vapor) + 528700 Kcal (líquido) C4H10 + 13/2 O2-------- 4CO 2 + 5H2O + 625700 Kcal (vapor) + 680200 Kcal (líquido)
3 Para la combustión de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m de oxígeno; para C kg. de carbono se necesitarán :
22,4 x (C/12) = 1,87 x C m3 de O2 3 Para la combustión de 2 kg. de hidrógeno, se necesitan 11,2m de oxígeno, luego para H2 kg. de hidrógeno se necesitarán :
11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2 m3 de O2 Por consiguiente, para la combustión de 1 kg. de combustible, el oxígeno mínimo necesario estequiométrico, sería la suma del necesario para la combustión del carbono y el hidrógeno, es decir: O2m = 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxígeno Como la composición en volumen del aire es aproximadamente del 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, se tiene que el aire mínimo necesario será: A m = 100 O 2m = 4,76 O2m 21
24
Por lo tanto el aire estequiométrico necesario por kg. de combustible será: A m = 8,90 C + 26,67 H2 (m3 de aire) Este volumen de aire está referido a condiciones normales (O °C y 760 mm Hg. de presión) Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrógeno, es decir: C = 0,88 y H = 0,12 El aire estequiométrico requerido para la combustión será: A m = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3 de aire. En la Figura 2.1 se presenta un nomograma que permite la directa determinación de los volúmenes de aire requeridos para cualquier combustible industrial, conociendo su relación carbono/hidrógeno. El conocimiento del calor de disociación de cualquier combinación de carbono e Hidrógeno, permitirá conocer directamente su poder calorífico, restándolo de la suma de los calores de reacción de los elementos disociados (carbono e Hidrógeno) en forma individual. Figur a 2.1 Poder Calorífico Inferior en función de la relación (carbono / Hidrógeno) 12000 ) g 11000 /k l a c (k I.. .C 10000 P
9000 345678 RELACION (C/H)
25
Analicemos como un ejemplo típico el caso de la combustión del metano que se mostró gráficamente en la Figura 1.1 y se desarrolla en la siguiente forma: CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O
H = - 192.500 kcal/kmo l
En la cámara de combustión el CH4 se disociará en 2H2 y C elemental. El H2 reaccionará violentamente aportando importantes cantidades de calor y formando H2O. 2 H2 + O2
2 H2O
H = - 116.400 kcal/kmo l
El carbón atómico producto de disociación, en presencia de oxígeno, formará rápidamente CO y completará la reacción de combustión en fase gaseosa, formando CO2 como producto final de combustión y aportando la cantidad correspondiente de calor. C + O2
CO2
H = - 97.600 kcal/kmo l
La cantidad total de calor liberada será la suma de las aportadas por la combustión de ambos en forma individual (214.000 kcal), menos la invertida para disociar su composición srcinal, de acuerdo a la siguiente reacción: CH4
C + 2 H2
H = 20.900 kcal /mol
La diferencia (193.100 kcal/mol) resultará un valor muy aproximado al poder calorífico del metano (192.500kcal/mol) determinado en el laboratorio.
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Cuadro 2.2 Poder Calorífico de combustibles en función de la relación (Carbono/hidrógeno) Combu stib le
Relación (C/H)
P.C.I. (kcal/kg)
Metano
3 4 4,5
11971 11362 11094
4,8 5 5,5 6,5 7,5 8,1
10944 10851 10476 10079 9706 9690
Propano
Diesel 2
Residual
En el Cuadro 2.2 se presentan los poderes caloríficos que corresponden a cada combustible en función de su relación carbono/hidrógeno, sus calores de disociación y el poder calorífico real producto de la diferencia de ambos, para los combustible más conocidos y utilizados en la práctica industrial. 2.2 ESQUEMA BÁSICO DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL Los procesos de combustión en instalaciones industriales siempre obedecen a un esquema básico, cuyo conocimiento y comprensión resultan la llave maestra para acceder a cualquier proceso de combustión que se desee conocer y mejorar. En la Figura 2.2 se muestra el esquema básico de la combustión industrial, en el cual se establece que una buena combustión requiere 3 puntos fundamentales:
27
Figur a 2.2 Diagrama esquemático de la Combustión industrial
28
a) Proporción correcta aire - combustib le •
El diseño del quemador deberá asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo márgenes de regulación para ambos.
•
Para asegurar la combustión completa deberá proporcionarse un exceso de aire, procurando que sea lo mínimo que resulte posible.
•
El análisis de ylos gases dede combustión permitirá conocer el exceso de aire la eficiencia la combustión.
•
En función del análisis de gases en forma manual o automatizada, se deberá efectuar ajustes en las variables de operación, controlando los resultados obtenidos.
•
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión completa.
b) Mezcla adecuada aire comb usti ble •
El diseño del quemador deberá proporcionar las condiciones de mezcla aire-combustible más adecuadas para cada caso.
•
La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación dentro de los márgenes de operación.
•
El objetivo principal de la mezcla será el lograr el máximo contacto superficial entre oxígeno y combustible.
•
El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas que permitan preparar el combustible (pulverización, atomización, vaporización) en el caso de sólidos y líquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para cada caso.
•
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión óptima.
29
c) Ignición inicial y sostenida de la
mezcla
•
El encendido o ignición inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una fuente externa.
•
Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción. La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cadacombustible.
•
•
Al producir las alrededores, reacciones dese combustión máslacalor del que se pierde a los mantendrá combustión sin necesidad de la fuente externa.
•
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso.
El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirán: •
Lograr el máximo aprovechamiento del poder calorífico del combustible utilizado.
•
Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las condiciones operativas técnica y
económicamente más adecuadas. Esta condición de máxima eficiencia, sin embargo, siempre resultará inestable por depender de una serie de variables interdependientes entre sí e influenciables por factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema dependerá de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo, orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso. 2.3 TIPOS DE COMBUSTIÓN El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes. La combustión podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la forma en que se realiza.
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2.3.1 En fun ción de sus pr oductos Se puede considerar los siguientes tipos de combustión: • • • •
Combustión perfecta (estequiométrica) Combustión completa (con exceso de aire) Combustión incompleta (con defecto de aire) Combustión imperfecta (pseudo combustión)
a) Combus tión Perfecta Estequiom étrica (Figura 2.3) Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente estequiométricas. Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la combustión, etc. en función de la composición del combustible y el comburente empleados. Figur a 2.3 Combustión perfecta estequiométrica
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b) Combustión compl eta con exceso de aire ( Figura 2.4) Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica. Este exceso de aire conlleva especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso 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 respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de lacombustión.
El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico estequiométrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustión del 120% respecto al estequiométrico, se expresará como 20% de exceso de aire. El índice de exceso de aire (n), también empleado en la práctica, será en este caso: n = 1.2. Figur a 2.4 Combustión completa con exceso de aire
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c) Combustión incomp leta con defecto de aire (Figura 2.5) Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros. Figur a 2.5 Combustión incompleta con defecto de aire
Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan apérdidas la atmósfera contienen aún apreciable por combustión incompleta soncontenido elevadascalorífico, cuando las se proporciona menos aire del necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea además el riesgo de explosión, al llegar a atmósferas súbitamente oxidantes. Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4% del poder calorífico del combustible. d) Combustión imperfe cta (Figura 2.6) Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, los humos chimenea productos de combustión apareciendo incompleta, en tales como de inquemados, residuos de combustibles sin oxidar,partículas sólidas, etc.
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Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas: •
La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la potencia calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.
•
La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible, lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o por estar trabajando a una
•
fracción muy pequeña de su potencia nominal. La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos, ya que cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro necesita un tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo.
•
El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire-combustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente de la cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también cuando se trabaja con un gran exceso de aire.
•
El alto porcentaje de carbono en los combustibles.
En la práctica, este esaellatipo de combustión más generalizado por resultar más ajustado realidad. En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes.
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Figur a 2.6 Combustión imperfecta
2.3.2 Por la for ma en que se realiza Siendo siempre la reacción elemental la que se produce en la práctica industrial, puede presentarse el combustible en estado sólido, líquido o gaseoso, lo cual determina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto y reacción con el comburente. El conocimiento práctico y estudio teórico de las reacciones de combustión, nos permiten también simplificar en este campo, definiendo que existen únicamente dos tiposde combustión: •
Reacción Homogénea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrógeno y CO con el oxígeno para dar lugar a H20 y CO2.
•
Reacción Heterogénea SOLIDO-GAS; típica del carbón en cualquiera de sus formas, que se produce por difusión térmica y molecular en el entorno de la partícula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO2.
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a) Reacci ón Homogénea Gas-Gas El mecanismo general de las reacciones de combustión que hemos definido para el ámbito de la combustión industrial nos permite establecer que sólo nos interesan las reacciones que se producen entre el Hidrógeno y el CO del combustible con el oxígeno del aire. En la reacción homogénea que se produce entre estos elementos, resultará determinante el nivel de contacto entre reactantes; tratándoseque de gases incrementan su volumen y turbulencia medida elevanquesus niveles termodinámicos, resultaráa determinante para el control de la combustión el diseño de la cámara de combustión que permita un adecuado flujo de los productos de la combustión, manteniendo condiciones estables de la atmósfera en la que se realizan las reacciones de combustión. Las llamas características de la combustión de gases tiene una apariencia azulada, propiciada por la presencia de productos intermedios de combustión o no presentan coloración alguna en el espectro visible. b) Reacción He terogénea sól ido gas Es la que se produce en el entorno de la partícula de carbono para formación de CO y subsecuente combustión con el oxígeno para formar CO . 2
Los factores determinantes de la velocidad de reacción en este caso dependerán del tamaño de partícula y la disponibilidad de oxígeno en su entorno. Debido a que la velocidad con que se efectúan las reacciones homogéneas de H2 y CO es muy alta, la velocidad con que se efectúa la reacción sólido gas del carbón resulta determinante del proceso en la gran mayoría de casos que se presentan en la combustión industrial, aún tratándose de combustibles gaseosos . En cierta forma, siempre se produce cierto nivel de coexistencia de ambos tipos de combustión, como se verá al efectuar un análisis más detallado cuando, se trate en forma individual la combustión de sólidos, líquidos y gases.
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2.4. MECANISMO DE LA REACCIÓN HETEROGÉNEA Definida la reacción heterogénea como el punto de convergencia ineludible de todas las formas de combustión industrial y representando el factor fundamental de control del proceso, resultará de la mayor importancia conocer el mecanismo a través del cual se produce la oxidación de la partícula de carbón. La reacción se inicia en la superficie de la partícula al ponerse en contacto los átomos deencarbono y lasactúa moléculas de oxígeno,y generalmente contenido el aire, que como comburente se alcanzan las condiciones mínimas para desencadenar la reacción. A temperatura ambiente, el carbón en contacto con el aire ya se encuentra reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la escasa cinética de la reacción. Para cumplir las exigencias de aporte de calor en los procesos industriales, la reacción tiene que ser violenta y para ello se debe llegar a la ignición, con la que la que se inicia la llama cuando se emiten suficientes gases de CO por reacción superficial. La oxidación completa se produce en 2 etapas: Etapa 1: La reacción heterogénea propiamente dicha: C + ½ O2
CO
+ 31,500 kc al/mol
Al reaccionar el C con O2 forma CO que se desprende como gas. Etapa 2: La reacción entre el CO desprendido y el O 2 disponible en el medio. CO + ½ O2
CO2
+ 62,500 kc al/mol
La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible srcinal, influenciando su calentamiento estey punto la desvolatilización de la partícula sólida, el hasta craqueo gasificación de gotas, y el craqueo de gases.
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•
Difusión térmica del calor desde el medio hacia el interior de la partícula para favorecer el calentamiento que acelere la cinética de la reacción heterogénea que se produce en la superficie de la partícula.
•
Difusión molecular del oxígeno hacia la película que rodea la partícula y el interior de los poros dejados por la sálida de volátiles.
•
Difusión molecular del CO producido en la superficie hacia el
medio donde completa su reacción convirtiéndose en CO2. En la Figura 1.7 se mostró la forma en que se desarrolla la combustión heterogénea, hasta completar la combustión cuando la partícula de carbón ha desaparecido. Los parámetros que permiten caracterizar la partícula de carbón en cuanto a su comportamiento durante el proceso de combustión son los siguientes: a) Tamaño de partícula: Expresado como diámetro promedio en micras, resulta determinante de la velocidad de reacción y liberación de calor. Se planifica en la molienda de carbón pulverizado en función de la formación de llama que se debe adecuar a la cámara de combustión y el proceso. En el caso de combustibles líquidos resulta determinado por el tamaño de gotas atomizadas por el quemador y las condiciones de progresión térmica en el reactor. Si las gotas se craquean antes de vaporizarse, las partículas alcanzarán algunas decenas de micras; si se craquean como gases, el tamaño de las partículas será apenas de unas centenas de Angstrons. En la combustión de gases, al producirse el craqueo en fase gaseosa, el tamaño de partícula siempre será inferior a 1 micra (400-500 Aº). b) Porosidad: Influencia la velocidad de reacción al incrementar la superficie de contacto para calentamiento y reacción heterogénea.
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En los carbones minerales depende de su naturaleza y rango, marcado por su nivel de desgasificación previo efectuado por la naturaleza o coquización artificial. En los líquidos la volatilización y desgasificación se produce simultáneamente, por lo cual la porosidad se presume en función de la naturaleza del combustible atomizado. Cuando se trata de gas natural, el tamaño microscópico de las partículas resta importancia a su porosidad. c) Contenido de volátiles: Al gasificarse y quemarse con relativa facilidad, los volátiles influencian la velocidad de calentamiento de la partícula y por tanto la cinética de la reacción heterogénea, disminuyendo el tiempo de reacción para un mismo tamaño de partícula. d) Reactividad: Depende de las características superficiales de la partícula y de la presencia de centros activos de reacción, caracterizados por irregularidades propiciadas por rugosidades, concentración de combinaciones del oxígeno, hidrógeno, azufre, etc. Las características térmicas de la partícula, tales como su calor específico, conductividad térmica y su estabilidad de volumen (hinchamiento y crepitación) al calentarse, influencian directamente su reactividad en presencia de oxígeno. 2.5 EL REACTOR DE COMBUSTIÓN La combustión en una atmósfera libre puede efectuarse con fines de iluminación, aprovechando la energía luminosa de la llama de difusión, pero con fines de aprovechamiento térmico representa niveles demasiado bajos de aprovechamiento energético, aceptables solamente en el campo artesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentración térmica y costos establecen la necesidad de que las reacciones de combustión se efectúen en el interior de un reactor llamado comúnmente hogar o cámara de combustión. El diseño de reactores de combustión obedece principalmente a criterios vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida. El diseño de un reactor ideal para asegurar combustión completa podría ser definido en los siguientes términos y/o condiciones:
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•
Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo ésta del tiempo de reacción de las partículas de carbón, en la medida que se acelere la cinética de la reacción con temperatura y turbulencia, podrá acortarse el tiempo de reacción completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.
•
Volumen útil : Se podrá acortar la longitud del reactor en la medida que se acorte la llama, pero al hacerlo podría abrirse en forma cónica determinando que el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama sobre las paredes. En la medida queelse logre formar una llama más compacta se podrá reducir volumen útil requerido de reactor. El impulso rotacional y el difusor cumplenesta función.
•
Concentración de calor : Un reactor ideal tendría que ser concebido construido con paredes de material refractario de la mayor reflectividad con capacidad para absorber calor y reflejarlo, manteniéndose en equilibrio térmico. La forma del reactor también presentaría el mejor comportamiento con un diseño cónico o cilíndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad de calor en el centro de la llama.
Siendo desarrollado el proceso de la combustión en reactores que normalmente dependen del proceso, los casos más frecuentes en los equipos más difundidos en la industria : Hornos y Calderos. Analicemos las características de los reactores de combustión en los tipos más frecuentes: a) Hornos rotatorios: En estos reactores de forma cilíndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero igualmente tendrá que disponer de suficiente impulso total para mantenerla centrada y el diseño del quemador tendrá que permitir la formación de llama cónica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes. Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volúmen útil más conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentración térmica. Las características del proceso influencian la concentración de calor; así existeenuna gran diferencia entre de el comportamiento del material procesos de hornos cal (reacción endotérmica) y de clínker para cemento (reacción exotérmica).
40
En los secadores rotatorios también se presenta menor concentración de calor y temperaturas de llama por ser la vaporización fuertemente endotérmica. b) Hornos de fundición: En este tipo de hornos el reactor está muy lejos de constituir un diseño ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en el piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta fusión por transferencia de calor por radiación y en menor medida por convección. El nivel de concentración térmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las pérdidas por radiación en las paredes y el techo también son altas. Una mejora considerable de estos hornos como reactores de combustión se ha logrado incorporando mayor número de quemadores en las paredes y en el techo. Los hornos de calentamiento presentan características semejantes como reactores de combustión, pero con menores niveles térmicos. c) Hornos verticale s: En este tipo de hornos el volúmen útil para la reacción resulta muy limitado, estando por ello muy lejos de presentar condiciones ideales como reactor de combustión. La utilización de combustibles muy fáciles de quemar, precombustión en troneras auxiliares y diseño de hornos con planos inclinados que permitan alojar llamas han sido alternativas aplicadas con éxito. La incorporación del combustible con el material en proceso convierte a todo el horno en reactor, pero con eficiencia muy variada en cada etapa del proceso. d) Calderos pirotub ulares: En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustión de material refractario, orientando su diseño a lograr combustión completa, aprovechando el calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por convección. Las exigencias de optimización energética y de diseño han orientado la tendencia en calderos a ubicar la llama en cámaras de agua (fleur) y ubicar paredes húmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultáneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la combustión para asegurar combustión completa, cada vez más difícil por la menor concentración de calor.
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e) Calderos acuotubulares: Las cámaras de combustión en estos calderos están formadas por tubos de agua cada vez más compactos, complicando su función como reactores de combustión. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidad para formar llamas cada vez más turbulentas y compactas, lo que se ha logrado creando una zona de menor presión en la zona central de la llama (llama cónica hueca). Los calderosy un de gran alta número capacidad con grandes secámaras combustión de quemadores orientande a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiación desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y aprovechamiento térmico a los aplicados en los hornos de fundición.
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CAPITULO
III
L a combustión como proce so fisicoquímico
Al producirse y manejarse la reacción de combustión con el propósito de aprovechar el poder calorífico del combustible con fines industriales, adecuando su desarrollo a los requerimientos de un determinado proceso térmico, se establece condiciones que convierten a la combustión en el proceso fisicoquímico que conocemos como llama. La llama es la combustión misma, el espacio donde se desarrolla la combustión y la manifestación visible de la combustión; todo al mismo tiempo. Por ello resultará de la mayor importancia dominar los 3 campos de la tecnología que resultan fundamentales en el desarrollo de la combustión y la determinación de las características de la llama: Mecánica de Fluídos, Cinética Química y Transferenciade Calor. 3.1 LA LLAMA COMO MANIFESTACIÓN VISIBLE DE LA COMBUSTIÓN En términos teóricos, la llama es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustión, produciendo radiaciones luminosas de srcen tanto térmico como químico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen manifestaciones de las condiciones en que se efectúa la generación de calor. En términos prácticos, podríamos definir a la llama como"el espacio donde se realiza la combustión ", o también, como "la manifestación visible de la combustión ", cuando se trata de combustibles sólidos y líquidos. La mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su creador, vigilante y mantenedor. La creación y mantenimiento de una llama apropiada, es un requisito previo e imprescindible para el aprovechamiento racional de la energía contenida en el combustible y que es capaz de arder en forma de calor. Decir que una llama es apropiada, significa que tiene un conjunto de cualidades y características de naturaleza geométrica, física y química idóneas y compatibles con la aplicación perseguida.
45
3.1.1 Condici ones Límites para que se produ zca una llama a) Límites de infl amabilidad La relación de combustible/oxígeno (aire) resulta crítica. Si esta relación es muy pequeña el combustible será muy pobre para quemarse, y si es demasiado grande, será demasiado rica para arder. Los límites de la relación combustible aire, en ambos sentidos, se llaman "límites superior e inferior de inflamabilidad del combustible". En el Cuadro 3.1 se presentan valores para algunos gases y vapores conocidos. Cuadro 3.1 Límites de inflamabilidad
Sustancia
Límite Inferior
% Volu men en aire Límite Superior
Monóxido de carbono (CO) Hidrógeno (H2) Metano (CH4) Etileno (C2H4) Etano (C2H6) Propano (C3H8) Butano (C4H10) Pentano (C5H12)
12,5
74,0
4,1 5,3 3,0 3,2 2,4 1,9 1,4
74,0 14,0 29,0 12,5 9,5 8,4 7,8
Benceno (C6H6) Gas Natural
1,4 4,8
6,7 13,5
b) Límites de temperatura Las Temperaturas máxima y mínima , a las que pueden encontrarse los gases de combustión, coincidentes con los instantes final y de encendido de la llama, establecen igualmente límites por sobre los cuales, no podrá mantenerse una combustión estable, por romperse el equilibrio entre la difusión térmica y la velocidad de producción de calor. c) Límites de presión Existen igualmente límites de presión que establecen un intervalo de presiones, dentro del cual puede existir una llama. Por debajo de 1 mbar absoluto las llamas tienden a extinguirse. El límite superior lo establece la peligrosidad de la mezcla a altas presiones, pudiendo estar por encima de 100 bar.
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d) Límite s por el " efecto p ared" Los intercambios térmicos entre la llama y las paredes del recinto, establecen un límite denominado"efecto pared". Incluye la propia boquilla de salida, lo cual hace que en sus proximidades no se observe llama, y la presencia de "puntos fríos" en el interior de la cámara de combustión. 3.1.2 Tipos de llama s y su clasificación a) Por la modalid ad de la mezcla del combu stib le •
Llamas de difusión: Cuando la mezcla del combustible y comburente se realiza en el instante de la combustión.
•
Llamas de premezcla: Cuando la mezcla de los fluidos se realiza parcial o totalmente antes de alcanzar la cámara de combustión.
b) Por la velocid ad del flujo de los rea ctantes •
Laminar: Cuando los fenómenos de la mezcla y transporte ocurren en fluido laminar, es decir, estable, uniforme y a bajas velocidades (no excede 1 m/seg).
•
Turbulenta: la velocidad gases por es importante, Cuando con objeto de liberar de un salida máximodedelosenergía unidad de tiempo, producto de condiciones más favorables para la mezcla combustible-oxígeno (velocidad unas 50 veces mayor que en fluido laminar).
c) Por su pos ición respecto a la boca del quema dor •
Llamas explosivas libres: Cuando se desarrollan en la atmósfera a la salida de un orificio, sin contacto con paredes laterales.
•
Estacionarias: Cuando el combustible se quema poco a poco a medida que pasa a través de una determinada zona del sistema, dando lugar a llamas alargadas y de combustión lenta.
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d) Por el estado fí sico del combustible •
Combustibles gaseosos: Resultan más simples por hallarse combustibles y comburentes en una sola fase, pero difícilmente observables, y por tanto, difíciles de regular y controlar.
•
Combustibles líquidos: El caso más frecuente en la práctica, fuertemente atomizados o dispersos, presentan importante presencia de partículas que queman en suspensión, emitiendo en el espectro visible cuando se encuentran en estado
•
incandescente, facilitando su observación, regulación ycontrol. Combustibles sólidos: Pulverizados se asemejan a los líquidos; en lecho fijo se complican por intervenir reacciones adicionales de pirólisis.
3.1.3 Temperatur as de la llama Se denomina temperatura teórica de combustión, temperatura adiabática de combustión o temperatura de combustión calorífica, a la que se obtendría en una combustión estequiométrica, con mezcla perfectamente homogénea y en un tiempo brevísimo que no dé tiempo a pérdidas caloríficas con el ambiente. Para el cálculo teórico de la temperatura adiabática de llamas se utiliza la siguiente fórmula:
Donde:
Ta PCI Vg Cp
: Temperatura adiabática de llama : Poder Calorífico Inferior : Volumen de gases de combustión : Calor Específico de los gases de combustión
En el Cuadro 3.2 se presenta la comparación de algunas temperaturas de llamas. Es importante observar que las llamas mas calientes, no son las que en teoría corresponden a una mayor liberación deson energía, sino a aquellas cuyos productos finales de la combustión más estables.
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Cuadro 3.2 Temperatura de llamas de algunos combustibles
COMBUSTIBLE COMBURENTE
Acetileno Monóxido de Carbono Hidrógeno Hidrógeno Gas Natural Gas Natural Metano Etano Propano Butano Fuel oil pesado Fuel oil pesado Fuel oil pesado Fuel oil pesado
TEMP. ºC
INDICE EXCESO AIRE n
TEORICA ºC
REAL ºC
Aire Aire
15 15
1,00 1,00
2630 2470
2320 2100
O2 Aire Aire Aire Aire Aire Aire Aire Aire Aire Aire Aire
15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 300 300
---1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,30 1,00 1,30
2974 2210 1961 1961 1915 a 1980
---2045 1735 1880 1880 a 1925
2015 1690 2120 1845
Las temperaturas reales en la llama, disminuirán en función de las condiciones reales de trabajo, dependientes de algunos de los siguientes factores: a) Calor sensible del aire y el combustible. b) Exceso de aire. c) Características de la transferencia de calor en la cámara de combustión. d) Difusión molecular de reactantes. e) Difusión térmica de productos. En la Figura 3.1 se puede observar la influencia de la temperatura del aire de combustión y del exceso de aire sobre la temperatura promedio de la llama.
49
Figur a 3.1 Influencia de la temperatura del aire de combustión y del exceso de aire sobre la temperatura de llama.
Aunque en el espectro de la llama se distinguen tanto bandas visibles, como infrarrojas y ultravioletas, moleculares y atómicas, e incluso, la mayor parte de calor se transfiere en la banda de infrarrojos, no visible al ojo humano, en la práctica resulta de indiscutible validez y gran utilidad el juzgar la temperatura de la llama por observación visual de su coloración. Como ejemplo, en el Cuadro 3.3 se presentan las temperaturas que corresponden a los colores observados en la llama de un horno rotatorio para cemento. Cuadro 3.3. Temperaturas que corresponden a los colores de la llama COLOR Rojo suave Rojo suave a rojo oscuro Rojo oscuro a rojo cereza Rojo cereza a rojo cereza brillante Rojo cereza brillante a naranja Naranja a amarillo Amarillo a amarillo brillante Amarillo brillante a blanco Blanco a blanco deslumbrante
50
ºF 875 875 -1200 1200 - 1375 1375 - 1500
ºC 475 475 - 650 650 - 750 750 - 825
1500 - 1650 1650 - 2000 2000 - 2400 2400 - 2800 más de 2800
825 - 900 900 - 1090 1090 - 1320 1320 - 1540 más de 1540
3.2 FORMACIÓN DE LLAMA Y GASODINÁMICA DE LA COMBUSTIÓN El desarrollo de un proceso de combustión y la conformación de llama en el interior de un reactor o cámara de combustión, constituyen en lo fundamental un problema de mecánica de fluídos que permite controlar a través de la intensidad de mezcla la cinética de la reacción de combustión, en la forma que permita establecer las condiciones más favorables y adecuadas de transferencia de calor. La comprobación práctica de que siempre se cumplen los postulados de la teoría inorgánica de la combustión, nos conduce a una visión diferente, más simple y objetiva, de la combustión industrial. Se pueden establecer 4 etapas en el desarrollo del proceso de combustión: • • • •
Mezcla de combustible y comburente Ignición y encendido de la mezcla Reacción química Difusión de los productos de la combustión.
La ignición y la reacción química son rapidísimas, prácticamente instantáneas, mientras que la mezcla y difusión de gases resultan lentas, complicadas y difíciles. En el interior de las cámaras de combustión se maneja la combustión como una suspensión de partículas de carbón en el aire que al reaccionar producirán gases de combustión y calor. La forma de la llama resulta influenciada por las características de tamaño, naturaleza y composición de las partículas de coque procedentes de la molienda de carbón mineral, craqueo en fase líquida o gaseosa de combustibles líquidos, o craqueo de gases, pero determinada finalmente por las características de los impulsos de los flujos dominantes, aire primario o el propio combustible cuando se trata de gas natural. En consecuencia, la mecánica de fluidos resulta fundamental para determinar la forma en que se efectúa la reacción de combustión y la definición de las características de la llama.
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Para conocer los factores que afectan la formación de llama en el campo de la mecánica de fluidos, analicemos la gasodinámica de la combustión: El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que actúa dinámicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y succionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la dirección prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores. En un chorro libre la presión estática es constante, mientras que en un chorro confinado la presión se incrementa condelarecirculación. distancia de la tobera ocasionando la formación de una zona Figur a 3.2 Esquema de chorro en espacio libre
Un chorro en un espacio libre se compone de las 4 partes que se muestran en la (Figura 3.2 ). • • • •
Corazón o núcleo del chorro Zona de mezcla Zona de transición Chorro completamente desarrollado
La región del núcleo se caracteriza por velocidad constante y concentración similar a la de la tobera. Fuera de esta zona se desarrolla una capa límite en la cual momento y masa se transporta en forma perpendicular al flujo. La longitud del núcleo es 4 o 5 veces el diámetro de la tobera. La región transitoria que puede alcanzar unos 10 diámetros precede a la formación del chorro final.
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La forma del chorro se caracteriza por el ángulo mitad, el cual se forma entre el eje del chorro y la línea formada por los puntos en los cuales la velocidad es la mitad de la velocidad en el eje(Figura 3.3). El chorro que fluye de la tobera en un horno tubular puede ser caracterizado como un chorro libre recto circular, habiéndose comprobado como valor práctico para el ángulo mitad 4.85 °, el cual no varía con la confinación del chorro; sin embargo, el grado de turbulencia (S) puede incrementarlo en la siguiente forma: ÁNGULO MITAD = (4.85) (7S) A partir del punto medio entre la tobera y la proyección del chorro que toca la pared del horno, el chorro puede considerarse y comportarse como un chorro confinado, por lo cual se presenta la recirculación de gases quemados. Al producirse la ignición del combustible y convertirse el chorro en llama, delimitando el frente de llama, se incorporan al flujo los gases de combustión producidos y la energía generada por la reacción, los cuales influencian en forma distinta la cinética de la reacción y por tanto la longitud de llama. Mientras que el calor generado incrementa la velocidad de reacción, la presencia de gases de combustión ya quemados e inertes disminuyen la disponibilidad de oxígeno para la reacción y por lo tanto la demoran. Figur a 3.3 Forma del chorro, caracterizado por el ángulo mitad
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El chorro de los quemadores unicanal puede ser considerado como un chorro recto circular, como el que se muestra en la (Figura 3.4 ) El incremento de presión que ocasiona el chorro genera una recirculación de gases quemados hacia la zona exterior, tomando la llama una forma cónica. Siendo el ángulo mitad de 4.85°, aproximadamente a unos 3 diámetros del horno se debería producir el impacto de la llama con las paredes del horno. Figu ra 3.4 Chorro recto circular
Si el quemador dispone de suficiente energía cinética para mantener formada la llama y la cinética de la reacción es suficientemente rápida para completar la combustión en este trayecto, al punto P impactaran gases quemados y la llama formada resultará ideal. Si por el contrario, la combustión no se completa, sobre el punto P impacta llama provocando problemas; para evitarlo, se resta potencial al quemador, el chorro pierde velocidad y se igualan las velocidades con el aire secundario restante y los gases quemados, la llama se desarma antes de impactar y la combustión se completará dentro de la masa uniforme de los gases circulando a través del tubo del horno sin ningún control, dando lugar a pegaduras, anillamientos y la presencia de inquemados a la salida del horno, debido a que la posibilidad de combustión completa desaparece. Al incorporar un tubo central convirtiendo el ducto en un espacio anular se crea una depresión en el centro que propicia que se produzca la recirculación de gases quemados que se utiliza en algunos interior casos para estabilización de calientes la llama. Este efecto se incrementa al incorporar una placa central o proporcionar radialidad al flujo (Figura 3.5 ).
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Figur a 3.5 Perfil del flujo por efecto de la radialidad proporcionada.
Cuando se imprime rotación a un fluido se consiguen los chorros giratorios que modifican su perfil de velocidades por efecto de la rotación, como se muestra en la (Figura 3.6 ). En (a) no existe rotación; en (b) hay una rotación ligera que hace aumentar la velocidad periférica y deprime la central; en (c) se alcanza el umbral crítico, anulándose la velocidad en el centro; en (d) el estado es supercrítico, con inversión de velocidades en el centro. Para cuantificar este efecto se utiliza el concepto de Fuerza de Rotación que es un número adimensional definido por la relación del momento del impulso tangencial con el producto del radio del inyector por el impulso axial. Figur a 3.6 Perfil de velocidad por rotación del fluido.
a
b
c
d
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En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductor en la medida que aumente la fuerza de rotación, como se puede observar en la (Figura 3.7 ) en la cual se grafica la relación de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotación. Figur a 3.7 Relación de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotación.
La división del flujo dominante, aire primario y/o gas natural, en componentes axial y radial permite controlar la forma y tendencias de la llama en el interior de la cámara de combustión, lo que resulta de una importancia determinante para 3 propósitos fundamentales: • • •
Formar la llama que permita aprovechar al máximo el volumen útil de la cámara de combustión Disponer de la máxima potencia calorífica Imprimir la intensidad de mezcla que resulte adecuada para asegurar combustión completa.
Podemos mencionar varios ejemplos de aplicación que muestran la importancia de la aplicación de estos conceptos en el desarrollo tecnológico industrial: En Calderos acuotubulares : La adecuación de la forma de llama a las geometrías rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido conseguir una reducción formidable de sus dimensiones, consiguiendo unidades cada vez más grandes en capacidad de generación de vapor pero mucho más compactas, ahorrando espacio, materiales y energía, porque también resultan considerablemente más eficientes.
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En hornos cementeros: La formación de llama cónica hueca ha resultado tan importante para lograr las condiciones adecuadas de potencia térmica, transferencia de calor y estabilidad operativa que exige el proceso de clinkerización que ya no se concibe un horno cementero que no opere con este tipo de llama y resulte competitivo. En hornos cerámicos: La formación de llamas planas para evitar su impacto sobre las piezas en proceso ha permitido conseguir excelentes condiciones de transferencia de calor y mejorar la calidad de acabados. 3.3. EMISIVIDAD DE LLAMA Y TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN La radiación es la transferencia de calor mediante energía radiante que parte de la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita de un soporte material. Cuando esta energía alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra parte puede ser transmitida a través del cuerpo receptor, cuando es diatérmico y finalmente el resto es absorbida. La radiación térmica se asocia a una radiación electromagnética con un intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100 micras. Para calcular el calor transmitido por radiación se aplica la fórmula: en donde:
Qr : calor emitido por radiación por m 2 y hora (Kcal/h.m2) C = constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4 = emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante. T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273) T2 = Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273) Para efectos del trabajo de los hornos en la zona crítica, la transferencia de calor por radiación desde la llama resulta un factor de la mayor importancia, debiendo destacarse que:
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•
•
Resulta proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. La temperatura de llama varía con el exceso de aire de combustión y la temperatura del aire secundario, en la forma que se mostró en la Figura 3.1. Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez depende de la permanencia de las partículas en estado incandescente. La emisividad de llamas de carbón, petróleo y gas natural se puede observar en la Figura 3.8 . La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar compensarse, demorandoellahollinamiento disponibilidadque de las partículas para que se produzca favorezca la emisividad y transferencia de calor por radiación. Figur a 3.8 Emisividad de llama
3.4.
DIFUSIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Y
La transmisión de calor por convección se refiere generalmente a la transferencia de calor desde la superficie límite de un sólido a un fluido, debido a las diferencias de densidad entre las zonas calientes y frías del mismo (convección natural), pudiendo favorecerse este movimiento por medios mecánicos (convección forzada). Para calcular el calor transmitido por convección se aplica la fórmula:
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Donde: Qc : Calor transmitido al fluido desde la superficie de un sólido por m2 (Kcal/h . m2). hm : Coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido sin incluir la energía radiada (Kcal/h.m 2. ºC) ts : temperatura de la superficie del sólido ( 0C) tm : temperatura media del fluido ( 0C) R : resistencia térmica (°C . h . m 2 ) / kcal La transferencia de calor por convección: • aumenta cuando aumenta ts • aumenta cuando disminuye tm • aumenta cuando aumenta el valor de hm El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fácil de determinar teóricamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y correlaciones utilizando la teoría de modelos y números adimensionales. Varía con: • • • • •
Las propiedades físicas del fluido (conductividad térmica, densidad, calor especifico, viscosidad). Dimensiones del aparato Velocidad fluido de fases Existencia del de cambio incremento de temperaturas
Figura 3.9 Horno de cemento, un excelente ejemplo de aprovechamiento de calor por radiación, utilizando materiales refractarios para mejorar la transferencia de calor.
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En los hornos, calderos y procesos industriales se produce transferencia de calor por convección en todo el circuito de circulación de los gases de combustión desde la llama hasta la chimenea de salida. El diseño de los procesos, instalaciones y equipos industriales determinan los niveles de aprovechamiento del calor liberado en la combustión en función de las condiciones que favorezcan la transferencia de calor por convección de los gases calientes al proceso y el revestimiento interno del horno (Figura 3.9). 3.5 ESTABILIDAD DE LLAMA Y LAS 9 “TES” DE LA COMBUSTIÓN La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centímetros por segundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla estequiométrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s). La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama y su situación está condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulación de los gases y la velocidad de propagación de la llama; expresado en términos prácticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entre la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que se quema(Figu ra 3.10). El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los múltiples factores que intervienen en la cinética de la reacción de combustión, determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo, produciéndose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo, llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga. En la literatura técnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de control operativo sobre la llama las 3 te´s de la combustión, pero investigando en este campo hemos encontrado que son siete las te´s que influencian este proceso.
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Figur a 3.10 Frente de llama, criterio básico para determinarel equilibrio de las velocidades.
Las dos primeras emanan de la teoría inorgánica y se refieren al Tamaño de partícula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del quemador. Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagación de la llama resultan de fundamental importancia las tres Te's clásicas de la combustión, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura. La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero en el desarrollo de la combustión intervienen otros parámetros que determinan condiciones que podrían afectar la estabilidad inicial conseguida y coincidentemente, también comienzan con la misma letra: Transferencia de calor y Transporte de gases. Pero aún tenemos más Te´s que influencian la llama y el proceso de combustión: el Tiro que crea las condiciones de circulación de gases y laTensión (presión) en el interior de la cámara de combustión. Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio la reacción de combustión, y por ende, las características de la llama.
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El Tiempo determina la velocidad con la que se efectúa la reacción y resulta fuertemente determinado por elTamaño de la partícula de carbón; si se eleva la Temperatura de la llama, aumentará la velocidad de reacción y con ella la generación de calor; asimismo aumentará el volumen de productos de combustión, incrementándose laTurbulencia en el entorno de la llama, tomando en cuenta que las condiciones de mezcla también serán influenciadas por la trayectoria de la partícula de carbón, creada por su propio impulso y/o establecida por los flujos dominantes. La Transferencia de calor desde la llama a su entorno variará la temperatura y por la cinética de la reacción. El Transporte de los gases de tanto combustión impulsados por el Tiro tendrán que asegurar la presiónmás conveniente en la cámara de combustión. Figu ra 3.11 Las siete Te’s de la combustión
El aumento de la Turbulencia favorecerá la cinética de la reacción, disminuyendo el Tiempo de reacción; la mayor generación de calor producirá un incremento deTemperatura. Esta constante influenciada por estos tres factores, determinará las condiciones del equilibrio de llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustión.
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La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza la combustión y constituir en la mayoría de casos una manifestación visible de la combustión, facilitando su adecuado manejo y control, determina la necesidad de analizar las características de formación de llama de sólidos, líquidos y gases en forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Te´s de la Combustión (Figura 3.11).
CAPITULO
IV
El aire de combustión
4.1 CARACTERIZACIÓN DEL AIRE ATMOSFÉRICO 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 gases no condensables incierta. Si suponemos unaacomposición media segúnes el también Cuadro 4.1. Cuadro 4.1 Composición del aire atmosférico
% en Volumen Nitrógeno Oxígeno CO2 Argón Neón Helio Kriptón Xenón Hidrógeno N2O
ppm en Volumen
78,084 ± 0,004 20,946 ± 0,002 0,033 ± 0,001 0,934 ± 0,001 18,18 ± 0,04 5,24 ± 0,004 1,14 ± 0,01 ±
0,087 ± 0,001 0,05 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. 4.2 FUNCIONES DEL AIRE EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Para aplicar estos conceptos a la combustión industrial, analicemos las funciones que cumple el aire:
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a) Como aire pri mario : 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. El manejo del quemador, sea cual fuere su tipo y diseño, tendrá que tomar en cuenta el enrarecimiento del aire para regular su adecuada operación, procurando compensar la menor disponibilidad de masa de oxígeno por unidad de volumen con una mayor turbulencia. b) Como aire secund ario : Aporta el oxígeno requerido para la combustión. En altura, al disminuir la densidad y aumentar proporcionalmente el volumen, la calidad del aire como comburente será menor, disminuyendo la probabilidad de contacto y reacción con el oxígeno del aire y el carbono/hidrógeno del combustible. 4.3 COMBUSTIBLE COMBURENTE Y COMBUSTIÓN Se llama comburente al aire o al oxígeno que participa en la oxidación de la materia combustible liberando luz y calor en el proceso llamado combustión. Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el aire de combustión sean aportados al quemador en las condiciones previstas en su diseño. En la mayor parte de los casos para las determinaciones técnicas de tipo teórico (volumen de los gases de combustión, temperatura máxima, temperatura de rocío, calor sensible de los humos), se comete poco error considerando aire seco en donde la proporción entre el nitrógeno y el oxígeno es de 79 a 21% en volumen, asimilando por tanto el Argón a Nitrógeno y estableciendo el aire como la mezcla molecular siguiente:
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Equivalente a
y más habitualmente para
Esta aproximación da algún error de cierta importancia cuando se pretende tener en cuenta muy estrictamente el contenido de nitrógeno de la materia mineral. 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 te órica por razones físicas de contacto que después detallaremos. De aquí el llamado “exceso de aire sobre el teórico necesario”. Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propósito de la combustión: 1º Disminución de la temperatura máxima posible, al aumentar la cantidad de gases en la combustión. 2º Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados, en el nitrógeno del aire empleado. 4.4
COMBUSTIÓN EN ALTURA Y ENRIQUECIMIENTO DEL AIRE CON OXÍGENO
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.
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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. 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. Figur a 4.1 Variación de la presión atmosférica con la altura
En la Figura 4.1 se muestra la curva de variación de presión atmosférica con la altura.
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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 4.2 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 (m3) de aire por efecto de la reacción de su contenido de oxígeno con carbono. Figur a 4.2 Corrección del volumen del aire con la altura
En la Figura 4.3 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/m3N; al realizarse la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico.
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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. El mayor volumen de gases también influencia negativamente la transferencia decapacidad calor por de radiación, por disminuir la temperatura de la llama y la producción del sistema. 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 Figur a 4.3 Variación del poder calorífico del aire
La justificación de su aplicación, además d el 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.
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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. Aunque se encuentra muchas referencias de pruebas realizadas enriqueciendo el aire en el horno cementero, con las con diciones actuales de los precios de la energía y el oxígeno, se justifica sólo en alturas superiores a los 2,500 m.s.n.m., a partir de la cual el volumen del aire se incrementa en más de 50%. El único método aplicable es el de enriquecimiento general del aire secundario; enriquecer el aire primario no tiene objeto, por ser su función de carácter principalm entemec ánico. El nive l de enriquecimiento será aquel que permita normalizar el contenido de O2 en cada m3 de aire. Ejemplo : A 3,800 m.s.n.m., 1 m3 ocupa alrededor de 1.7 m3, conteniendo la misma cantidad de masa. Para normalizar el contenido de O 2, se tendrá que adicionar un 8% por cada m3 de aire utilizado. Evaluemos, en términos muy generales, la conveniencia de enriquecer el aire para un horno de las siguientes características: Producción Rendimiento actual Combustible utilizado P.C.S. carbón Precio TM carbón (boca de quemador )
: : : :
1750 TM/día 950 Kcal/Kg. Carbón Mineral 6500 kcal/kg
:
95 US$/kg
La "normalización del aire" debería permitir incrementar la producción hasta 2100 TM/día y disminuir el consumo específico a 850 Kcal/kg., lo cual representa un ahorro aproximado de US$ 5.000/día. Se requieren aproximadamente 20TM/hr de oxígeno para normalizar el aire. El costo de la TM de Oxígeno y la inversión requerida para implementar el proyecto resultarán determinantes de su rentabilidad en la práctica.
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4.5
PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN
La utilización del aire precalentado de combustión permite alcanzar mayores niveles de eficiencia, al favorecer la cinética de las reacciones de combustión y aportar calor sensible al sistema. La elevación de la temperatura del aire puede conseguirse recuperando, el calor de los gases de chimenea del propio caldero, aprovechando calores residuales disponibles simplemente reubicandootros la toma del aire de ventilador en unao zona más caliente. Potencial de Ahor ro 1% por cada 25°C de incremento de la temperatura del aire. Procedimiento En forma similar al punto 5.5, se determinará la factibilidad técnico-económica de instalar un recuperador de calor en un equipo en funcionamiento. Esta posibilidad resulta más atractiva en los casos de calderos nuevos, en los cuales se puede dimensionar adecuadamente la capacidad de los ventiladores y prever las caídas de presión que provocarán los recuperadores (intercambiador gas-gas). La captación de aire que se encuentre a mayor temperatura en las inmediaciones o su calentamiento por medios tales como resistencias eléctricas, aceite térmico, energía solar, etc. siempre deberán considerarse como proyectos de inversión y tratados como tales. Análi sis Ec on óm ic o La inversión requerida para instalar un precalentador de aire es alrededor de US$2.000 por cada millón BTU/hr, por lo cual su implementación resultará conveniente sólo para calderos de gran capacidad que justifique sistemas de recuperación de calor de los gases de chimenea mixtos, es decir, con economizadores y recuperadores . La inversión en equipos que permitan aprovechar calores residuales de los calderos, requerirán de menores inversiones, que resultarán fácilmente justificadas.
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Discusión Normalmente, instalar un economizador es preferible a instalar un precalentador de aire en una caldera existente, pero deben ser considerados cuidadosamente en instalaciones nuevas. Figur a 4.4 Mejora en la eficiencia por calentamiento del aire
En calderos de gran capacidad siempre se justifican ambos. Precalentar el aire de combustión utilizando resistencias eléctricas puede resultar plenamente justificado en casos de autoproductores de energía con exceso de capacidad instalada o fuera de horas puntaeléctrica de consumo. En regiones donde el nivel de exposición solar es elevado, también puede resultar atractivo instalar colectores solares para este propósito. La Figura 4.4 muestra el ahorro de combustible al aumentarse la temperatura del aire combustión. Ejemplo Aprovechando la cercanía de ubicación de un caldero de 300 hp (10.350 lb/hr de vapor) respecto a la mufla de un secador con temperaturas superficiales de 250°C en promedio, se reinstaló el ventilador de aire de combustión para aprovechar el calor radiante de la mufla, pasando a través de una chaqueta de doble paso, logrando elevar la temperatura del aire de 20 a 120°C en promedio. El consumo de combustible en año un 3% promedio, consiguiendo ahorrar durantedisminuyó el siguiente de en operación un total de US$ 8.100 . La inversión en equipo montaje y mantenimiento del sistema ascendió a un total de US$2.500.
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CAPITULO
V
Caracterización del Gas Natural como combustible industrial
5.1 CARACTERIZACION DEL GAS NATURAL Los depósitos subterráneos de carbón y petróleo son realmente energía heredada de otras edades. Los fenómenos geológicos de formación de los continentes, a través de millones de años atraparon vegetales y animales, transformándolos en residuos fósiles que sometidos a la presión de la tierra acumulada sobre ellos, se han desgasificado y concentrado, constituyendo los depósitos de combustibles que abastecen la energía de la mayor parte de los requerimientos energéticos de la vida moderna. Estos fósiles, hidrocarburos y carbones, constituyen los combustibles industriales. Todos los combustibles son combinaciones de Carbono e Hidrógeno en una proporción variable; en relación directa con su relación C/H serán gases (metano: C/H=3), líquidos (combustóleo: C/H=8) o partículas de carbón mineral. El Azufre y otros componentes minoritarios pueden considerarse como impurezas. La clasificación de los combustibles industriales en función de su estado físico siempre resulta la más adecuada, considerando al gas natural, combustóleo y carbón mineral combustibles primarios alrededor de los cuales se agrupan todos los demás El Gas Natural es una mezcla de hidrocarburos parafínicos, que incluye el metano (CH ) en mayor proporción, y otros 4 hidrocarburos en proporciones menores y decrecientes. Esta mezcla generalmente contiene impurezas tales como vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno y helio. Hasta el presente se presume que el petróleo y el gas se han formado como resultado de variaciones sufridas por la materia orgánica proveniente de animales y vegetales, debido a la acción bacteriológica y a elevadas temperaturas y presiones producidas durante millones de años, por efecto del asentamiento de las capas de sedimentos que la contienen. El gas, como el petróleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos de ciertas rocas, en estructuras geológicas llamadas yacimientos los cuales pueden ser de tres tipos: a) Yacimientos de gas asociados, donde el producto principal es el petróleo.
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b) Yacimientos de gas seco o libre, donde el producto principal o único es el gas mismo. c) Yacimientos de condensados, donde el gas se encuentra mezclado con hidrocarburos líquidos y a este tipo de gas se le denomina gas húmedo. El gas natural proviene de acumulaciones subterráneas, producidas por una prolongada descomposición bacteriana de la materia orgánica. No comprende un solo gas, sino muchos y no necesariamente condiciones, se presenta en forma gaseosa, que, en determinadas algunos de estossino gases se encuentran en forma líquida. La combinación exacta en la que se encuentran los diversos gases depende de la historia geológica de la zona que contenga el depósito de gas en cuestión. De cualquier forma, se puede decir que siempre el gas natural se presenta o en combinación con petróleo crudo, y entonces se conoce como gas asociado, o en ausencia de petróleo crudo, y es conocido como gas no asociado. En el caso de que un yacimiento de petróleo contenga gas asociado, una parte del gas se halla disuelto en el petróleo crudo y entonces se le conoce como gas en solución. Sin embargo, una proporción del gas asociado forma una capa separada y superpuesta al petróleo crudo, pero es incapaz de filtrarse a la superficie de la tierra por encontrarse cubierto por un denso estrato rocoso y forma una especie de "gorra" o casquete del yacimiento de petróleo. El gas asociado comprende metano, etano, gases licuados del petróleo (GLP) y algunos compuestos más pesados. El etano y los GLP se denominan conjuntamente gas natural líquido (GNL), mientras que los GLP comprenden fundamentalmente propano y butano. Aunque tanto el gas asociado como el no asociado se caracterizan por una alta proporción de metano con relación al GLN, se puede decir que en el no asociado la proporción de metano contenido es relativamente mayor y menor la de GNL, por lo que al gas no asociado se le conoce frecuentemente como “gas seco” y al asociado como “gas húmedo”. Sin embargo, si la parte de gases naturales líquidos que se presenta con metano en ausencia de petróleo crudo es relativamente alta, los productos se llaman condensados. El gas natural que se utiliza en plantas industriales es metano con una pequeña proporción de etano, lo que facilita mucho su caracterización, al permitir referirse a tales hidrocarburos para conocer sus principales características y propiedades.
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En el cuadro 5.1 se presentan las propiedades físicas de los hidrocarburos gaseosos que se utilizan como combustibles industriales : metano, etano, propano, isobutano y butano normal. Cuadro 5.1 Propieda des físicas de los hidro carburos gaseosos
Las propiedades del gas natural se podrán calcular a partir de la proporción metano – etano y las ydelbutano GLP tomando en cuenta contenido de propano, isobutano normal,utilizando para su todos los casos la siguiente fórmula.
Siendo xj la fracción molar (volumétrica) del componente “j” y P j alguna propiedad como el poder calorífico, la densidad, etc.. Aplicando esta fórmula, podemos conocer las características de cualquier gasnatural. U tilizando como ejemplo un gas natural con 95% de metano (x1 = 0.95) y 5% de etano (x 2=0.05) tendremos los siguientes resultados para las propiedades que definen su comportamiento a nivel industrial : •
Poder Calorífico Superior (Hs)
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Hs = 9530 (0.95) + 16860 (0.05) = 9897 kcal/m 3N •
Poder Calorífico Inferior (Hi)
Hi = 8570 (0.95) + 15390 (0.05) = 8911 kcal/m3N •
Densidad relativa (respecto al aire)
ds = 0.5537 (0.95) + 1.0378 (0.05) = 0.578 En la misma se pueden se calcular otras propiedades y para facilitar estas forma determinaciones pueden elaborar nomogramas. Para el Gas Natural con 95% de metano utilizado como ejemplo, el nomograma elaborado que se muestra en la figura 5.1 permite comprobar los cálculos efectuados para los poderes caloríficos y en la fig ura 5.2 para la densidad.
Figura 5.1 Poder C alorifico e n Función del Contenido de Metano 50000 48000 46000
Poder Calorífico Superior 44000 42000 40000
Poder Calorífico Inferior
38000 36000 34000
º
32000 30000 70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
Po rcentaje d e Metano
82
90
92
94
96
98
100
Figura 5.2 Densidad en Funci ón del Contenido de Metano 0,70 0,68 0,66 0,64 a iv t 0,62 a l e R d 0,60 a d i s 0,58 n e D
0,56 0,54 0,52 0,50 70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
Porcentaje de Metano
5.2 CARACTERIZACIÓN DE GASES COMBUSTI BL ES Los criterios de clasificación de gases en “familias”, en función de las características de los gases o mezclas gaseosas y las condiciones de combustión, sirven para expresar índices que resultan indicadores de las posibilidades de utilización de gases y su intercambiabilidad. Los más empleados son el “Indice de Wobbe”, la “Fórmula de Knoy” y el criterio de Delbourg. A) Indic e de Wobbe Se basa en el Poder Calorífico Superior (H) y la densidad relativa al aire del gas, o mezcla gaseosa (d).
83
Su expresión es la siguiente:
Se adapta bien para caracterizar gases naturales secos. Cuando en la mezcla gaseosa existe productos oxidados (CO 2, CO) y por otra parte los hidrocarburos superiores influyen, por su viscosidad, en la exactitud del Poder Calorífico Superior, se utiliza en “Indice de Wobbe Corregido”, que corrige tales deficiencias c on dos c oeficientes: K 1 y K2, con lo que el I.W corregido es:
IW1 = K 1K 2 (IW). El valor de K1 es el siguiente:
En donde (CO), (C2) y (CO 2) representa las concentraciones de dichos gases. En cuanto a K 2, su valor se ha determi nado estadísticamente y varía según el poder calorífico aportado por hidrocarburos superiores al metano. B) Fórmula de Knoy Se usa frecuentemente en la literatura técnica de EE.UU y pretende corregir las anomalías mencionadas mediante la siguiente fórmula:
Donde H se expresa en BTU/ft
84
C) Criterio de Delbo urg Para la división de gases en “familias”, el criterio más utilizado, sobre todo en Europa, es el de DELBOURG. Utiliza este investigador el Indice de Wobbe (corregido si es necesario) y otro índice que denomina “Potencial de Combustión” y que correlaciona con el caudal térmico aportado por cada mezcla gaseosa. El “Potencial de Combustión” alcanza a mezclas en las que incluso existe pentano en forma de vapor y su expresión es la siguiente:
Como regla práctica, la densi dad de un gas con relac iónalairese puede hallar dividiendo su peso molecular por el peso molecular “medio” del aire, es decir: 02+3,76N2 4,76 Así la
32+105,2% 4,76
d del CH4
Del C2H6= Del C4H10=
=
16 28,84
137,28 = 4,76
28,84
= 0,554785
30 1,04 = 28,84 58 2,011 = 28,84
Figura 5.3 Identificación de “ familias de gases” - Criterio de Delbourg
85
Una mezcla gaseosa se calcularía por su peso molecular “medio”. La figura 5.3 muestra la clasificación La representación gráfica del criterio de DELBOURG es la mostrada en la Figura 5.4 En ella se distinguen tres familias entre sí intercambiables (aunque con rigor no lo sean al 100%) Figura 5.4 Representación gráfica de Delbourg
86
1ª. familia: Gas ciudad 2ª. familia: Gas natural 3ª. familia: Gases licuados del petróleo I.W: 3.400 - 3.800 I.W: 10.000 - 13.000 I.W: 17.800 - 23.000
C: 65 - 185 C: 40 - 75 C: 60 - 85
5.3 CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIÓN Y LLAMAS DE GAS NATURAL Las características de formación de llama permiten explicar el comportamiento de la combustión de mezclas de gases combustibles aire en cuanto al encendido, el desarrollo y la estabilidad de la combustión, lo cual resulta de particular importancia en las aplicaciones industriales de gas natural. 5.3.1 Límites d e infl amabilidad En el cuadro 5.2 se muestran los límites de inflamabilidad de mezclas gas – aire a 20° C y presión atmosférica.
Cuadro 5.2 Límites de Inflama bilid ad
87
En una atmósfera homogénea de gas metano en aire, solo se dan condiciones de inflamabilidad si la proporción de metano se encuentra entre 5 y 15%. El rango inflamable del gas natural (metano) resulta relativamente estrecho en comparación c on el de otrosgases, por lo cual deberá controlarseeln ivel de exceso de aire para evitaroblemas pr enel encendido. La presencia de restringir nitrógenoestos y vapor de agua en la zona de inflamación puede valores. 5.3.2 Temperatura de auto infl amación En el Cuadro 5.3 se muestran las temperaturas de autoinflamación de algunos gases y vapores determinados según Ensay o DIN 51794 a presión atmosférica. Cuadro 5.3 Temperaturas de autoinflamación
La temperatura de autoinflamación del gas natural resulta relativamente alta y se explica por constituir el metano una molécula perfecta que requiere un esfuerzo notable para disociarse antes de reaccionary desencadenar la ignición. La Figura 5.5 permite apreciar la relación decompresión límite de algunos hidrocarburos y demuestra que la influencia de la cantidad de átomos de C en el combustible sobre su capacidad autodetonante y ambos ser mayores a los de las gasolinas comerciales.
88
Figu ra 5.5 Relación de compr esión límite de algunos hidr ocarburos
5.3.3 VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LLAMA Una llama estable de una mezcla aire – gas comprendida entre los límites de inflamabilidad se propaga a una cierta velocidad, depende de variables físicas y químicas composición de su mezcla con el aire de combustión, temperatura, presión, forma y dimensiones del quemador. Para el gas natural, la velocidad de propagación o deflagración es del orden de 0.3 m/s (Figura 5.6). En forma similar, se designa como la velocidad crítica de retorno de llama el límite inferior de velocidad de salida en la cabeza de un quemador con mezcla previa aire – gas, compatible con una llama estable; si la velocidad de salida es inferior a la velocidad crítica, la llama se propaga al interior del quemador en la mezcla gas – aire (retrollama). La velocidad de desprendimiento de llama
es el límite superior
de de salidasialala velocidad cabeza deldequemador unavelocidad llama estable; salida escompatible superior acon la velocidad de propagación de la llama, ésta se desprende del quemador y se apaga.
89
Figura 5.6 Variació n de la velocidad d e defla gración en función del factor de aire
5.4 COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL La gasodinámica de la combustión del gas natural resulta diferente a la que se presenta en la combustión de combustibles sólidos y líquidos. Aunque la Teoría Inorgánica de la Combustión establece que todos los combustibles se queman en la misma forma heterogénea, la manera en que se llega a este punto define un comportamiento diferente en el desarrollo de la combustión. Los sólidos y líquidos requieren ser molidos y atomizados para ponerse a disposición del flujo dominante, el aire primario, en partículas de tamaño adecuado su combustióndeencoque el entorno del reactor, hogar opara zonacompletar conveniente del horno.
90
Siendo el gas natural un fluido capaz de aportar energía cinética para la mezcla con el ai re de combustión y siendo el tamaño de las partículas de coque resultado de su disociación microscópica, la cinética de su reacción será mucho más rápida y el requerimiento de turbulencia menor para completar su combustión. Esta facilidad de combustión podría resultar conveniente desde muchos aspectos, pero si se quema demasiado rápido convirtiéndose en gases de combustión con una llama muy corta, resultará muy pobre la cantidad de calor que pueda ser transferida por radiación. En la Figura 5.7 se muestra el tiempo previsto de reacción de partículas de tamaños que corresponden a coques producto de la desvolatilización de carbón mineral y craqueo en fase líquida de petróleo residual, disponiendo de todo el oxígeno requerido para la reacción continua. Figura 5.7 Tiempo de reacción de partículas de coque 3
2.5 )g e 2 (s n ó i c c a 1.5 re
CARBÓN ANTRACITA
COQUE DE PETRÓLEO
e d o p m 1 ie T
CARBÓN BITUMINOSO
0.5
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tamaño d e partícula (micras)
En el caso del coque producto de la disociación del gas natural que apenas alcanza unos 200 Angstrons (0,2 micras), la combustión será prácticamente instantánea.
91
200
Al no producirse tal disponibilidad de oxígeno teórico ideal en la práctica, el diseño del quemador y la disponibilidad de impulsos que proporcionan la calidad de turbulenc ia y mezcla, los objetivos para cada caso resultarán contrapuestos. La naturaleza y tamaño de partículas de coques provenientes de carbón y petróleo (sólidos y líquidos) exigen diversas energías de mezcla para combustión completa, pudiendo requerir catalizadores adicionales en casos extremos. Cuando requiere o desea aumentar la emisividad la llama de gas se natural para mejorar la transferen cia (dedecalor por radiación, el diseño del quemador se orie nta a “demorar” la mezcla para aumentar la presencia de partículas en estado incandescente, pero completando finalmente la combustión en el hogar o reactor. En la Figura 5.8 se muestra las emisividades teóricas de llamas. Figura 5.8 Emisividades teóricas de lla
ma
Los aspectos de mecánica de fluidos comentados nos permiten aproximar el comportamiento de la combustió n en algunos casos de la práctica industrial: •
Al utilizar gas natural en quemadores y condiciones previstas para combustibles líquidos, la combustión e s instantánea.
92
•
En quemadores mixtos gas – líquidos o gas – sólido, la combustión instantánea del gas favorece la cinética de reacción y las posibilidades de combustión completa, aun para combustibles muy poco reactivos.
•
La inyección de gas y aire, ambos con impulso considerable, podría ocasionar que no se complete la combustión por falta de calidad de mezcla; por ello, siempre debe haber un flujo dominante que succione al otro.
•
Al matar la presión del gas y utilizar el impulso del aire primario, se desperdicia energía cinética y consume energía eléctrica.
5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL GAS NATURAL CON OTROS COMBUSTIBLES INDUSTRIALES Al tener que competir el gas natural con otros combustibles en la práctica industrial, para constituir la mejor opción de suministro energético en términos técnicos y económicos, resultará de la mayor importancia disponer de criterios adecuados de comparación de las características que condicionan su disponibilidad, suministro, precombustión, combustión y post-combustión. Los podríamos considerar alternativas elegibles para combustibles efectuar una que compar ación adecuada y útil en la práctica son, además del gas natural, elGas Licuado de Petróleo (GLP), Diesel 2, Petróleo Residual 6 (Bunker C), Carbón mineral bituminoso (Hulla) y Carbón mineral Antracita(<10% de volátiles). Para realizar una comparación objetiva hemos elegido un sistema consistente en la designación de 10 parámetros de comparación vinculados directamente con los circuitos de combustión industrial, elaborando con ellos un cuadro de valoración con calificación de 1 a 5, correspondiendo el valor más alto a su mejor comportamiento. Para establecer un análisis específicamente adecuado para cada caso particular, se deberá otorgar un peso de valoración para cada parámetro individual , asignándole un factor de 0.1 a 1.0. En esta forma, se tendrá un factor de utilización de cada uno de los combustibles que industrial. constituyan elegibles paradeberá una determinada planta Estealternativas factor de carácter técnico compararse directamente con su costo de empleo, permitiendo definir opciones.
93
Los 10 parámetros elegidosson los siguientes: •
•
•
Suministro: Involucra las posibilidades de adquisición, seguridad de suministro y la forma de facturación. La disponibilidad de gas natural por tubería y la facturación posterior al consumo marcan una excelente calificación al gas natural. El suministro de combustibles líquidos, incluyendo como tal al GLP, resulta una posición intermedia y las dificultades propias del suministro de carbón le otorgan una baja calificación a las hullas yantracita. Precombustión: Se refiere al circuito de preparación de los combustibles y todo el circuito de pre-combustión, desde su ingreso a planta hasta el momento mismo de su ignición. También en este campo la ventaja de manipuleo del gas resulta decisiva, no requiriendo ningún acondicionamiento para su empleo en los quemadores. En la misma forma, los líquidos representarán una condición intermedia, con ligera ventaja para el GLP por utilizarse como gas. La molienda y/o clasificación por tamaños de los carbones y las dificultades para transportar sólidos, le otorgan mucha desventaja a loscarbones. Inversión: Incluye todo el circuito de precombustión, quemadores, sistemas de seguridad y regulación, registro de parámetros de combustión y post-combustión. También la inversión por lafavorecido simplicidad manejo, y resulta en estedefinida sentido,totalmente el gas resulta condel la máxima calificación con un pequeño castigo, por requerir especiales condiciones de seguridad en toda la instalación, que podría involucrar su odorización.
•
Mantenimiento: La facilidad de desarrollar un efectivo mantenimiento también resultará influenciado por la simplicidad de las instalaciones. En este caso el GLP pierde las ventajas de utilizarse como gas debido a la necesidad delvaporizador y las posibilidades de depósitos de olefinas.
94
•
Control sobre la llama: Aunque la facilidad de inyección del gas natural y su energía cinética representan una gran posibilidad, ésta aparente ventaja resulta minimizada por el escaso aprovechamiento del mpulso i del gas y los requerimientos de llamas más emisivas para algunos procesos, exigiendo al diseño del quemador la posibilidad de demorar la combustión. Los combustibles bien atomizados permiten un buen control sobre las características de la llama y el manejo adecuado de la finura de los carbones bituminosos permiten un aceptable control de llama, parrillas, contandoadecuado con quemadores la combustión sobre para las adecuados. antracitas, el En manejo de llama resulta muy limitado, pero factible de conseguir.
•
Limpieza: La presencia de residuos de combustión resulta determinante para juzgar su comportamiento en los equipos, resultando ideal en el caso del gas natural y parecido en el GLP; los combustibles líquidos se complican algo en el caso de los petróleos residuales y se tornan más complicados en el caso de los carbones con cenizas variables.
•
Emisividad de llama: Parámetro importante en la práctica por establecer las condiciones para transferencia de calor a los equipos y procesos. En este caso la facilidad de combustión del gas natural representa una desventaja compensable sólo en forma limitada por el diseño del quemador. La posibilidad es mayor en forma proporcional al incremento relación Carbono/Hidrógeno, llegando al punto máximo la de altalaemisividad de llamas de carbón.
•
Volumen de gase s de combustión: También la relación carbono/hidrógeno resulta definitiva en este caso, como se apreció anteriormente, y resulta importante para las posibilidades de transferencia de calor por convección
•
Seguridad: La circunstancia de que el gas natural no pueda percibirse por la vista o el olfato determina ciertos riesgos que afectanalgasnatu ral y al GLP, con el agravante aeste par último de resultar más pesado que el aire. En este caso las mayores ventajas las tienen el Diesel 2 y Residual 6, resultando menos seguras las condiciones de manejo del carbón, debido al riesgo de explosiones de polvo de carbón en suspensión; mayor en el caso lasdehullas con altos contenidos de volátiles y mínimo en elde caso antracitas.
95
•
Contaminación ambiental: La limpieza y facilidad para quemarse marcan una diferencia notable en el uso de gases, menor en el caso del GLP, diesel 2 , residual y carbones sucesivamente. En esta consideración se considera la necesidad de conseguir siempre combustión completa.
En el Cuadro 5.4 se presenta el resultado del análisis efectuado, en el cual se obtiene sucesivamente las siguientes puntuaciones: CUADRO 5.4 Análi si s Comp arativo de Comb us tibl es Indu st ri ales Parámetros
Gas Natural
G.L.P
Diesel 2 Residual 6
Suministro Pre-combustión Inversión Mantenimiento Control de llama Limpieza Emisividad de llama Volumen gases de combustión Seguridad Contaminación ambiental
5 4 5 4 4 5 1 2 4 5
4 3 3 3 3 4 2 3 3 4
4 3 4 3 4 3 3 3 4 4
TOTAL
39
32
35
Hulla
3 2 3 2 4 1 4 4
Antracita
1 1 2 1 3 2 4 4
4
3 2
2 2
3 2
28
22
21
De acuerdo con este resultado el precio de facturación de estos seis combustibles resultarían opciones equivalentes, tomando como base un precio de 3 US$/mm BTU para el gas natural, si tuviesen los siguientes precios enUS$/millón de BTU. Para poder aplicar este modelo con objetividad para cada caso específico, tendrá que establecerse el peso específico que corresponde a cada parámetro para cada uso particular de los combustibles en plantas industriales. Así, su aplicación en el caso de una industria textil que utiliza procesos a relativamente baja temperatura, con mayor utilización de transferencia de calor por convección otorgará menor importancia a la emisividad de llama y mayor a la limpieza que factibiliza el empleo de gases de combustión en forma directa para calentamiento y secado.
96
1 1 1 1 1 2 5
En la industria del cemento, por el contrario, resultará fundamental la emisividad de llama y menos importante la limpieza, dado que las cenizas serán parte del producto. Resulta importante observar que existiendo siempre una ventaja respecto al uso del gas natural frente a los otros combustibles, lo que establecería un margen de conveniencia de su empleo aún si su precio fuese mayor en diferentes niveles respecto a los otros combustibles industriales, en la práctica, el hecho de que resulte impracticable su almacenamiento, cuando no existen problemas de escasez, Esta establece precios normalmente para lael gran gas natural. situación permite apreciarinferiores claramente conveniencia técnica y económica del gas natural.
97
CAPITULO
VI
Estaciones receptoras
RECEPCIÓN DEL GAS NATURAL EN PLANTA Las «estaciones receptoras», denominadas así para distinguirlas de las «estaciones reguladoras» de las arterias que alimentan las redes regionales de distribución y de los «grupos de regulación» que alimentan los quemadores, constan de una serie de instalaciones y equipos situados al aire libre o en locales cerrados independientes que, respetando normas prefijadas de seguridad y eficiencia, tanto en su disposición como en calidad de materiales y características de los mismos, filtran el gas natural recibido de la red de distribución, lo calientan (si es necesari o) para compensar el enfriamiento producido en la expansión en el regulador de presión, reducen su presión en dicho regulador, y lo miden inmediatamente después, en condiciones fijas de presión y temperatura. Las estaciones receptoras se clasifican según la presión suministrada y según sus caudales. Según sus presiones se clasifican en las siguientes categorías:
Cada categoría se clasifica a su vez según los caudales nominales de gas Nm3/h.m: Caudal ≤ 150 Nm3/h Caudal > 150 Nm3/h < 3 000 Nm3/h Caudal ≥ 3 000 Nm3/h Existen distintas normas en varios países sobre la constitución de las estaciones compresoras. En general, la composición receptoras se ajustan a los esquemas generales de delas lasestaciones Figuras. 6.1 y 6.2 , según que correspondan a estaciones de servicio interruptible o de servicio continuo, adecuándolas a las necesidades de cada usuario.
101
Estos esquemas se simplifican suprimiendo algún elemento según la categoría de la estación y los caudales que circulan por ellas. Esencialmente las estaciones de servicio interruptible están constituidas por una sola línea de regulación, con válvula laminar de bipaso y las de servicio continuo por una doble línea en paralelo, ambas de la misma capacidad, figurando la segunda como reserva. En algunos casos, la segunda línea se deja siempre abierta y se tara a una presión ligeramente inferior a la primera, de forma que cualquier anomalía de ésta srcina la puesta en marcha automática de la reserva. Cada línea constará de: uno o dos filtros (para permitir su limpieza sin interrumpir el filtrado); cambiadores de calor (sólo necesario para reducir la presión en más de 10 bar y en zonas frías, siendo obligatorio en las estaciones de la categoría II); válvula de seguridad de máxima y mínima presión (incorporada o no al regulador), regulador de presión (con o sin monitor o piloto); válvula de escape o alivio (segunda seguridad de máxima); y, finalmente, contador. Las líneas estarán provistas de dos juntas dieléctricas, una a la entrada y otra a la salida para aislar eléctricamente la estación receptora del resto de tuberías; una toma de tierra, un conjunto de válvulas de bipaso y de cierre, y conjunto de manómetros ~ termómetros. Tanto en el caso de línea única como en el de doble línea en paralelo, el contador será único, permitiendo el contaje tanto de una línea como de la de reserva. Un bipaso precintado por la compañía distribuidora de gas, y una brida ciega, permitirán, en caso de bloqueo del contador por avería, romper el precinto, retirar la brida y dar paso al gas por el bipaso, avisando a la compañía del incidente. En el proyecto de las estaciones receptoras, se deberá tener en cuenta los siguientes extremos: • • • • • •
presión mínima del gas suministrado; presión máxima del gas suministrado; pérdidas de carga en tuberías y elementos que integran la instalación; salto de presión (∆P) disponible en la línea de regulación; presión de utilización; caudales horarios de gas.
102
Figu ras 6.1 y 6.2 Esquema de e stacio nes receptor as de gas
103
Estos extremos determinarán la capacidad y tipo de todos los aparatos. A la entrada del ramal de abonado al límite de la propiedad se situará una válvula de seccionamiento de apertura y cierre rápidos, a la que tendrá acceso la Empresa suministradora de gas. Junto a la estación receptora del usuario se colocaotra válvula de cierre rápido (válvula de bola), a distancia conveniente de dicha estación, de forma que, caso de siniestro en la misma, pueda maniobrarse sin peligro. 6.2 EQUIPOS DE APARATOS Y VALVULERÍA Como hemos visto en los esquemas anteriores, las estaciones receptoras están compuestas de una serie de aparatos y válvulas, cuyas características vamos a describir someramente: 6.2.1. Filtros El filtro tiene por objeto retener el polvo, agua, aceite o impurezas de arrastre transportadas por el gas en las tuberías, de forma que no sólo retenga las partículas más pequeñas, sino que lo haga provocando una pérdida de carga aceptable. El filtro se coloca a la entrada de la estación receptora y antes de los reguladores. Es uno de los elementos básicos de la instalación, que evita el depósito de polvo o impurezas en los asientos de las válvulas, en los obturadores de los reguladores, y también en los inyectores de los aparatos de utilización. Los filtros de las estaciones receptoras, que trabajan a la presión de la red de alimentación, son siempre cilindros con el elemento filtrante en forma de «cartucho». El cuerpo exterior del filtro está formado por un cilindro de acero, provisto de las tuberías de entrada y salida de gas, de una tapa o registro que permita sacar el cartucho filtrante fuera del mismo para su mpieza li y de un grifo de purga (y de descompresión) para extraerla posible agua de condensación. El cartucho filtrante propiamente dicho está constituido por un cilindro de chapa perforada alrededor del cual se adapta exteriormente el material filtrante formado por un filtro o fibra sintética. Los filtros deben estar equipados con un dispositivo de manómetro diferencial entre la entrada ysalida de gas, que permita controlar la pérdida de carga. El gaspenetra en el filtro entre el cuerpo exterior y el cartucho filtrante, y sale por el centro del mismo filtrado (véasemínima figurade6.3). elemento filtrante debedespués de tenerdeuna capacidad 2 cmEl2 por cada Nm3 de capacidad horaria de la línea. El filtro debe retener, en función de la granulometría de las impurezas:
104
Polvo Agua
: 98 % hasta 5 micras, : 100% hasta 20 micras.
Diferentes tipos de f
Figura 6.3 iltros utilizados en las instala ciones de gas natural
El calibre del filtro se determina por el tipo de gas, por la presión de servicio máxima y mínima, por el caudal máximo a filtrar, por la pérdida de carga admisible y por el tamaño de las partículas de impurezas. 6.2.2. Válvulas de cier re Las válvulas son siempre elementos imprescindibles de toda instalación, ya que afe ctan a la manutención,entretenimiento y reparación de eventuales averías. Su misión es la de aislamiento de los aparatos o de la regulación manual. Las cualidadesque se exigen a las válvulas son: •
105
• • • • •
cierre estanco (interno y externo); apertura o cierre suave y, en algunos casos, rápida (un cuarto de vuelta); mantenimiento mínimo; resistencia al desgaste mecánico y químico; resistencia a la presión de servicio.
•
Todas las válvulas de las estaciones receptoras deben ser de acero, admitiéndose tan sólo válvulas de fundición, en determinadas condiciones, ena laloszo baja presión. Susa diámetros deben corresponder denalasdetuberías o aparatos las que van unidas, y sus presiones nominales de servicio deben corresponder a las de trabajo máximo. Las válvulas podrán ser: • • • • •
válvulas de compuerta; válvulas de mariposa; válvulas de bola; válvulas de macho cónico; válvulas de laminación.
Las válvulas de compuerta resultan de tamaño considerable y de maniobra lenta. Es difícil conseguir una buena estanquidad, a la larga, tanto en la cuña de cierre, como en sueje, cuya estopada debe apretarse periódicamente y cuyo husillo roscado debe engrasarse para evitar oxidaciones y agarrotamientos. Las válvulas esféricas de mariposa y las de bola permiten obtener una sección de paso igual a la de la tubería y, por tanto, una pérdida de carga prácticamente nula; su tamaño esreducido, y el par de maniobra, débil; el cierre y aperturason rápidos, por un cuarto de vuelta, y su mantenimiento es prácticamente nulo. Las válvulas de macho cónico tienen un difícil ajuste para altas presiones, debiéndose conseguir la estanquidad introduciendo por el tornillo de alimentación grasas consistentes a presión que, poco a poco, penetran por arrastre en la canalización. Su apertura y cierre es suave y rápido. Las válvulas de laminación tienen por objeto egular r un caudal de gas o su presión por estrangulación del paso del gas, y están concebidas para obtener una obturación progresiva. Su presión normal de servicio está comprendida entre 10 y 70 bar.
106
6.2.2.1 Elementos a tener en cuenta para la de una válvula
elección y mont aje
El instalador o el utilizador que consulta a un fabricante de válvulas, debe tener en cuenta los siguientes parámetros para su elección: a) b) c) d) e) f) g)
naturaleza del gas; presión máxima de servicio; diámetro nominal; pérdida de carga interna a plena abertura; sistema de empalme a las tuberías (roscado, bridas); dispositivo de maniobra de la válvula (volante cuadrado); condiciones de ins talación y posibilidades de mantenimiento (riesgo de bloqueo de su accionamiento por el hielo, engrase de las válvulas de mando giratorias lubrificadas, sistema de estanquidad hacia el exterior, prensaestopas, junta tórica, etc.).
En general,enunains talación interior industrial selimitar puede a elegir una válvula del mismo diámetro nominal que el de la canalización donde debecolocarse. Sin embargo, conociendo la pérdida de carga interna, se puede, en ciertos casos, escoger un calibre de paso inferior al diámetro nominal de las tuberías. Esta solución puede aplicarse a las tuberías de gas a media presión (por ejemplo, a partir de un bar), que, dado el elevado precio actual de las buenas válvulas puede resultar económicamente justificado. Generalmente, los fabricantes de válvulas pueden indicar la pérdida de carga de la misma en su equivalencia expresada en metros lineales de la tubería delmismo diámetro nominal. Las válvulas deben instalarse en lugares no peligrosos para su maniobra, fácilmente accesibles y con espacio suficiente para su accionamiento o desmontaje eventual. Cuando en el cuerpo de la válvula figura una flecha indicando el sentido de circulación del gas, debe respetarse ésta en su montaje. En una válvula de asiento (aun en caso de ausencia de flecha), debe montarse de forma que el sistemá de estanquidad hacia el exterior (prensaestopa, junta tórica, etc.) no quede en presión cuando la válvula está cerrada; decir, que en posición de cierre, comunique con la salida y no con es la entrada.
107
El sentido normal de cierre de las válvulas es el de las agujas del reloj. Debe evitarse absolutamente la utilización de válvulas que no respondan a esas condiciones. En cualquier caso, deberán respetarse las informaciones e instrucciones delfabricante. Las válvulas pueden ser accionadas automáticamente en lugar de a mano, y su accionamiento puede ser eléctrico (electromagnético o motorizado), hidráulico o neumático. Dichas válvulas son del tipo de cierre a falta de energía (eléctrica o fluido de mando). En función de la naturaleza de los aparatos de utilización colocados detrás, se puede admitir o no después del cierre por falta de energía de mando, la reapertura automática cuando vuelve dicha energía (caso de cortes de corriente). 6.2.3.
Válvu las de segur idad
Son válvulas interceptadoras automáticas, de rearme manual, de máxima y mínima presión a la salida del regulador, situadas antes de éste, y que garantizan el cierre en c aso de obrepresión s o de presión insuficiente. Un obturador, accionado por un brazo a través de un mecanismo de contrapeso, cierra el paso del gas cuando la presión en la cámara del piloto del regulador, tarado para presión máxima y mínima, alcanza dichos valores (figura 6.4). En muchos reguladores de presión estas válvulas están incorporadas a los mismos. Deben ser perfectamente estancas en posición desarmada, y su precisión de funcionamiento en el desarme debe ser inferior a 2 %. Como doble seguridad, para caso de anormal funcionamiento del regulador de presión (oscilaciones, rotura demembrana, etc.) se coloca a la salida del mismo una válvula de seguridad de resorte —parecida a las válvulas de seguridad de los generadores de vapor— que deja escapar a la atmósfera, mediante un tubo
108
Figura 6.4 Válvula de seguridad
de descarga que sobresale del techo de la estación receptora, el exceso de presión. Dichas válvulas deben poder permitir la descarga del 100 % del caudal total de la instalación. Apertura total, asegurada para un 20 % de sobrepresión. Cierre, a un 90 % de la presión de’ abertura. 6.2.4. Reductores. Reg uladores de presión Los «reductores» de presión son aparatos que reducen la presión de gas P a la entrada del aparato, a una presión P, inferior a la salida del mismo. Ello es debido a la pérdida de carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla pasar por un orificio de sección S inferior a la del paso de gas a la entrada y salida del aparato. El aparato más sencillo está constituido por un orificio, más o menos descubierto por un obturador (válvula o grifo), maniobrado a mano, para obtener la presión deseada. Según el régimen de derrame de un gas a través de un orificio de sección 8, existe una relación entre la presión de entrada P, la peresión deensalida P’, y el caudal másico (o caudal yQ0presión). del gas, xpresado las condiciones normales de temperatura
109
Igualmente, cualquiera que sea una de las presiones (entrada o salida) y el caudal de gas, existe un valor de la sección S que permite fijar la otra presión (a la entrada o salida al valor deseado) dentro de los límites de funcionamiento del aparato. Se ve también que la idea de reductor no pu ede separarse de la idea de regulación; en efecto, si el objeto prin cipal del aparato es el de reducir la presión del gas, la presión d e salida del mismo que se desea obtener deberá mantenerse dentro de ciertos límites, lo que implica un regulador; por el contrario, si el objeto principal del aparato es el de regular una presión, eso no puede lograrse más que por una caída de presión a través del aparato, lo que implica un reductor. Cualquiera que sea el objetivo del aparato, este es un reductor-regulador comúnmente conocido con el nombre simplificado de «regulador». El principio de funcionamiento de un regulador está constituido (figura 6.5) por un equipo móvil provisto de un obturador cerrando más o menos el paso de la sección S; una pared deformable y estanca sobre la cual se ejerce una fuerza (peso, muelle o piloto); un vástago, deslizante en una junta estanca J, solidario de la membrana y del obturador y, finalmente, un ubo t de comunicación C entre el espacio debajo de la membrana yla tubería de entrada o salida del aparato, según se quiera mantener constante la presión de entrada o la de salida del mismo. Cualquier que que se produzca en esos puntos hará subirvariación o bajar de la presión membrana, por medio del vástago solidario abre o cierra el paso S de l gas,restableciendo la presión deseada. Las distintas presiones en el transporte y distribución de gas, así como en la alimentación de los quemadores de los usuarios, exige la instalación de reguladores de presión cuya función específica es: •
Reducir la presión del gas al límite deseado.
•
Mantener prácticamente constante y sin oscilaciones dicha presión reducida, aunque varíe entre ciertos límites la presión a la entrada del regulador y se mantenga un campo de caudales dentro de límites definidos.
110
Figura 6.5 Principio de funcionamiento de un regulador
Las cualidades que debe reunir un regulador son: •
Fidelidad: Un regulador es fiel si, colocado en las mismas condiciones de presión de entrada y caudal, para una regulación determinada, da siempre, en régimen permanente, la misma presión de salida.
•
Precisión: La precisión de un regulador está caracterizada por la diferencia entre los valores máximos y mínimos de la presión de salida para una regulación determinada del aparato y por todos los valores de la presión de entrada y de caudal correspondientes a su campo de variación.
•
Sensibilidad: Como consecuencia de las imperfecciones mecánicas, cuando el régimen de funcionamiento de un regulador cambia, el obturador permanece inmóvil durante cierto tiempo. La presión de salida p correspondiente al caudal inicial Q, variará hasta alcanzar un nuevo valor p’. El obturador entrará en funcionamiento en ese momento. La sensibilidad del aparato se caracteriza por la diferencia de valor entre p y p’. El aparato es tanto más sensible cuanto más próximos sean los valores p y p’.
111
•
Estabilidad: Consideremos un sistema en régimen permanente. A consecuencia de una perturbación (variación de presión o variación del caudal, por ejemplo) el regulador reacciona (las partes móviles del reductor entrarán en acción). Si el sistema es estable, alcanzará un nuevo régimen permanente después de un corto período de régimen transitorio, en el transcurso del cual los diferentes valores no presentarán grandes oscilaciones (ni bombeo ni vibraciones).
•
Estanquidad al cierre:
Normalmente, es necesario que al
cierre del obturador, caudal sea nulo, con objeto de evitar peligrosas subidas deelpresión. •
Sobrepre sión al cierre: Según la red de tuberías a la que el reductor está conectado, y según la manera de realizarse la interrupción del caudal, el reductor puede dar una presión de salida que crece cuando se produce el cierre. Esta sobrepresión se llama sobrepresión al cierre. Se corrige mediante una pequeña válvula de seguridad que descarga en la atmósfera dicha sobrepresión.
•
Límites de presión y de caudal: funciona siempre entre dos límites:
Todo regulador-reductor
• •
•
•
De presión de entrada: presión máxima de servicio (inferior a la presión nominal en general) y presión mínima de funcionamiento. De caudal: desde el cierre hasta la abertura máxima del obturador, el caudal va aumentando, y su máximo es función de las dimensiones geométricas del obturador y de las condiciones de presión. De presión de regulación: cada reductor está concebido para proporcionar una cierta gama de presiones de salida.
Según su manera de funcionar, los reguladores-reductores son de acción directa (de muelle, de contrapeso, o de campana) o de acción indirecta (piloto). Los primeros, en caso de falta de presión o rotura de membrana, quedan abiertos. Los segundos, en el mismo caso, se cierran. Según su sistema de regulación de acción proporcional, de acción integral, depueden acción ser: derivada y de regulación compleja.
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En la reducción de presión del gas natural, éste se enfría, puesto que obedece menos las leyes de los gases perfectos, para los cuales la reducción sería globalmente isotérmica. Para el gas natural la disminución de temperatura es del orden de 0,5 0C por cada kg/cm2 o bar de reducción de presión. El regulador de presión, junto con el contador, es el elemento principal de las estaciones receptoras. La variedad de tipos y variantes de reguladores que se encuentra en el mercado es lo suficientemente amplia para resolver todos los problemas que puedan plantearse industria. A títulodeilustrativo, mostramos en las Figuras 6.6 en a lala 6.14 el esquema varios tipos de reguladores, accionados por piloto o por resorte. Los reguladores de resorte o de contrapeso son de acción directa y se utilizan cuando la diferencia de presión p con relación al valor de consignaPr es suficiente para accionar mecánicamente, mediante contrapesos, o resorte, la válvula de regulación.
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Estos aparatos, en caso de falta de presión o de rotura de la membrana quedarán abiertos. Los reguladores accionados por piloto son de acción indirecta, siendo indispensables cuando la potencia necesaria para modificar la acción de paso Sexige un dispositivo amplificador llamado piloto (permitiendo además variar a voluntad la presión de consigna) accionado por la presión de entrada del gas.
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115
116
Varios tipos de reguladores llevan incorporado al mismo la válvula de seguridad de máxima y mínima presión (fig uras 6.10 y 6.13). Los requisitos que debe cumplir un buen regulador son los siguientes:
117
•
El cuerpo del regulador debe ser de acero, fundición o aleaciones especiales, de acuerdo con las presiones nominales de trabajo.
•
El cierre de la válvula de regulación debe ser perfectamente estanco a caudal nulo.
•
La presión en la regulación será inferior a ± 2 % de la presión de salida regulada, para una gama de caudales comprendida entre el 3 % y el 100 % del caudal nominal.
•
El regulador debe funcionar correctamente entre los límites antedichos sin producir oscilaciones llamadas de «bombeo» y con toda seguridad en presencia de gas a —10 ºC, estando la temperatura exterior hasta —20 ºC.
•
La zona de regulación estará comprendida entre 20 % y 100 % de la presión máxima regulada.
•
La unión del regulador con la línea se realizará por medio de bridas con resalto. Para diámetros iguales o inferiores a 2 pulgadas, la unión podrá ser roscada, siempre que el acoplamiento al resto de la instalación se efectúe mediante bridas.
•
Es recomendable que el caudal nominal del regulador se pueda modificar mediante un cambio cómodo y conveniente del «obús» restricción de paso, mientras el aparato está colocado en de la línea.
•
Para saltos elevados de presión, se recomienda el uso de dos reguladores en cascada.
La regulación, sobre todo cuando la reducción de presión es elevada, produce, en algunos casos, un silbido que, según el nivel sonoro, puede molestar y crear perturbaciones al personal o a los vecinos. La elección del regulador se hará teniendo en cuenta este inconveniente. Si el nivel sonoro es elevado, será preciso prever un aislamiento acústico, sea en la cámara de regulación, sea en los aparatos. 6.2.5.
Cambiad or de calo r
Las estaciones receptoras deberán de un sistemadel de calentamiento del gas de formair provistas que éste, después enfriamiento producido en el regulador, no tenga a la salida del mismo una temperatura inferior a + 5ºC.
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Para el cálculo del calentamiento se considera que para el gas natural, como hemos dicho, cada reducción de la presión de 1 kg/cm2 provoca un enfriamiento de 0,5ºC en el gas. La precisión en la regulación de la temperatura será tal que la temperatura del gas no podrá variar en± 5 ºC. Los dispositivos de calentamiento del gas pueden estar constituidos: •
•
por una resistencia eléctrica en el caso de cámaras de bajo caudal; por un intercambiador de calor s ituado en la línea de regulación y antes del regulador; está alimentado por agua caliente, procedente de una caldera independiente o de una fuente de calor existente en la industria.
Las calderas que alimentan los intercambiadores se instalarán o bien al aire libre o en un local separado de la cámara de regulación y medición. 6.2.6. Contadores Como su nombre indica, el contador sirve para medir el caudal de gas consumido, tanto para control por parte del usuario, como para fines de facturación por la Empresa suministradora. Los contadores que serán a dmitidos deb erán estar homologados y verificados p or las autoridades correspondiente s, y serán autorizadosde acuerdo con las normas que establezc alaEmpresa suministradora de gas. En general, los sistemas de contaje normalmente utilizados para el gas natural son: el volumétrico (membrana, pistones rotativos u otro tipo con totalizador e integrador), el de turbina (paletas, hélice, turbina, etc.) y el venturímetro o deprimógeno que puede estar basado en el clásico tubo de Venturi o constituido por un simple diafragma. Los dispositivos de medición deberán tener uncampo válido de medida suficientemente amplio para garantizar la medición exacta de to dos los caudales comprendidos en el campo de variabilidad del consumo.
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Cuando este último oscile dentro del amplio campo, de forma que resulte imposible su medida exacta con un solo aparato de medición, se deberá prever, caso por caso, la instalación de un complejo de aparatos que sea capaz de medir el consumo en todo su campo de modulación. Mientras no exista una reglamentación oficial definitiva o normas de la Empresa suministradora sobre el campo válido de medida, se entenderá: a) Para los será contadores volumétricos de turbina, el campo medida determinado por la yverificación oficial de de la Delegación de Industria cuyos errores de medición sean ± 15 % Normalmente, estas condiciones se mantienen en los contadores volumétricos para caudales comprendidos entre el 10 % y el 120 % del nominal. b) Para los medidores deprimógenos, el campo de medida será el comprendido entre el máximo de fondo-escala y el mínimo determinado basándose en el número de Reynolds, límite correspondiente al valor α constante. Todos los cálculos de fondo-escala serán efectuados tomando para α el valor constante correspondiente al número de Reynolds límite, y teniéndose en cuenta el factor de compresibilidad al 50 % del valor del fondo-escala; el mínimo de consumo válidamente medible con el aparato así predispuesto será el deducido del número de Reynolds indicado. Queda entendido que dicho mínimo, sea cual sea el criterio adoptado, no debe ser inferior al límite aceptado de sensibilidad mecánica del aparato y, por consiguiente, no más bajo que el 10 % del fondo-escala. Todas las instalaciones de medida del gas cuyo caudal supere los 150 m3/h (menos las del t ipo deprimógeno) deberán disponer de unórga no de estrangulamiento (Vent uriodiafragma)fijo enla línea,tra s el contador principal, qu epermitacualquiermomentoel control, por parte de empresa suministradora, de la exactitud de la medición.
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Con el fin de unificar las instalaciones de medidas deprimógenas y de control con elemento deprimógeno, la longitud de los tramos de tubo recto antes y después del mismo, debe ser, respectivamente, de 20 D y 10 D (siendo D el diámetro interior del tubo). El contador volumétrico o de turbina tendrá unby-pass equipado con una válvula estanca, la cual estará sellada por la Empresa suministradora de gas, en la posición cerrada. Cuando por fuerza mayor sea necesario abrir esa válvula, se seguirán las prescripciones fijadas por la Empresa suministradora, como la gama de contadores volumétricos o de turbina es muy extensa, nos limitaremos a describir, de forma reducid a, el funcionamiento de uno de los tipos más utilizados, el llamado «de pistones rotativos» y el de los contadores de velocidado de turbina. Enelcontadorde pistones rotativos el gas penetra enelcontadore incide sobre dos álabes en forma de 8 (sistemaroots), conjugados por dos ruedas dentadas y equilibradas dinámicamente (véase figura 6.15). La presión del gas provoca la rotación de los álabes, pudiéndose admitir, sin error apreciable, que en cada vuelta completa de los mismos circula por el contador un volumen constante de gas. El movimiento de rotación de los álabes se transmite a través de un tren desmultiplicador sobre un dispositivo indicador que íntegra el volumen del gas en las condiciones de presión, temperatura y humedad en que se encuentra al atravesar el contador, y que se mide y registra mediante aparatos apropiados que describimos más adelante. Figu ra 6.15 Contador de pistones rotativos Delta Secciones lo ngitudin al y transversal
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Los contadores de velocidad o de turbina (figs. 6.16 y 6.17), están constituidos por un tramo recto de tubería, en cuyo interior está colocada una hélice o turbina, teóricamente sin frotamientos, apoyada en cojinetes y manteniendo su eje en el centro de la tubería. La velocidad de rotación de la hélice debida al paso del gas es proporcional a la velocidad de circulación del mismo y, por tanto (como la sección es constante), al volumen de gas que circula. héliceel está un de cuerpo central que solamente pLa ermite paso protegida del gas apor través un reducido espacio anular frente a las paletas de la turbina; ello tiene por objeto aumentar la velocidad de paso del gas en la hélice y ejercer sobre la misma esfuerzos apreciables. Figu ra 6.16 Contador de turbina Elster
Figura 4.17 Contador de turbina T. U.
Figura 6.17 Contador de turbina T.U.
122
Los contadores de turbina, llamados también contómetros, pueden estar dispuestos formando un codo en lugar de un tramo recto(fig. 6.18), con el rodete colocado en un eje vertical. Estos contadores ocupan menos espacio que los anteriores. El caudal mínimo y el máximo están en la relación de 1 hasta 12 para esa serie de contadores. Debe evitarse que el gas que atraviesa el contador arrastre partículas polvo capaz delaprovocar erosiones sobre las paletas de la hélice, looque modificaría medición. Figu ra 6.18 Cuantómetro d e turb ina G.W.F.
El contaje del número de vueltas de la hélice se realiza por dispositivos de célula fotoeléctrica para los contadores pequeños o directamente por cuenta revoluciones mecánico para los contadores importantes. Los contadores de turbina tienen una curva de error variable de un tipo a otro, pero de suficiente precisión entre límites comprendidos entre 1 y 10. La curva de errores varía ron el desgaste de los órganos en movimiento. Si la hélice se bloquea, el ga s no se contabiliza, pero puede atravesar el contador sin que la pérdida de carga suplementaria delate la anomalía.
123
Así como los contadores volumétricos y de turbina se fundamentan en la medición directa del volumen que ha circulado por los mismos en las condiciones de presión y temperatura registradas (y que, posteriormente, debe ser corregido para llevarlo a las condiciones de presión y temperatura de referencia normalizadas), el contador deprimógenoregistra en un gráfico el caudal instantáneo que atraviesa el diafragma, caudal que posteriormente debe ser integrado para traducirse en volumen total, en las condiciones de presión y temperatura existentes a la entrada del medidor, que asimismo debe corregirse para llevarlo a las condiciones de referencia normalizadas. Salvo indicación en contra, los contadores volumétricos se recomiendan para instalaciones de bajo caudal que no superen los 150 m3/h, medidos a la temperatura y presión de trabajo. No obstante, se fabrican contadores volumétricos de gran capacidad (hasta 30 000 m3/h e incluso superiores). En las instalaciones de caudal medio, comprendidas entre 150 y 2 000 m3/h (medidas igualmente en sus condiciones de trabajo), pueden usarse indistintamente contadores volumétricos de turbina o deprimógenos. 3 Para instalaciones de caudal alto, superiores a 2 000 m /h, se aconseja utilizar un medidor deprimógeno (debido principalmente al elevado coste de los contadores volumétricos).
6.2.7.
Registradores d e presión y temperatura
Los registradores de presión y de temperatura permitirán controlar las condiciones de trabajo del regulador y del cambiador de calor (cuando sea necesario), siendo imprescindibles para la corrección de los volúmenes totalizados por los contadores, con fines de facturación. Salvo indicaciones en contra de la Empresa suministradora de gas, los registradores deberán responder generalmente a las condiciones siguientes: • • • •
Precisión de escala : ± 1 % Diagrama: tipo banda arrollada, de anchura útil de registro de 100 mm. Velocidad arrollampo iento: 20 mm/h.de relojería con cuerda Modo de de arrastre: r sistema mecanizada semanal, eléctrica, con reserva de marcha o bien por motor síncrono con alimentación eléctrica de socorro.
124
6.3. NORMAS DE RECEPTORAS
INSTALACIÓN
DE
ESTACIONES
No existiendo Normas Oficiales emanadas del Ministerio de Industria, deben utilizarse las exigidas por la Empresa distribuidora o ENAGAS. En el apartado 6.2 hemos descrito la composición de las estaciones receptoras y las características que deben reunir. También hemos detallado todas las condiciones que deben reunir los distintos aparatos y las tolerancias más usuales. A continuación vamos a detallar las normas corrientes en la instalación general de las estaciones receptoras, fijadas por Catalana de Gas, S. A., en Barcelona. 6.3.1. Situación d e la Estación El terreno escogido para la instalación de la Estación receptora será fácilmente accesible, lo más cerca posible a la vía pública y al abrigo de inundaciones. Los representantes de la Empresa distribuidora de Gas tendrán acceso libre a la cabina en todo momento, sin pérdida de tiempo, quedando reducidas las formalidades eventuales al mínimo. Para limitar y evitar las posibles consecuencias de un accidente en la Estación receptora, ésta deberá situarse lo suficientemente alejada de los accesos a otros edificios y talleres, de forma tal que los posibles escapes de gas no puedan alcanzar los locales vecinos. La conexión de la Estación receptora a la red de distribución exterior, mejor dicho, a la válvula del ramal de alimentación, se realizará con una tubería capaz de resistir la misma presión de servicio que la tubería de la Empresa suministradora. Antes de la entrada a la Estación receptora, el usuario instalará una válvula de interceptación de apertura y cierre rápido (un cuarto de vuelta), fácilmente accesible y claramente señalizada, que permita aislar la Estación. Dicha válvula estará convenientemente protegida contra golpes accidentales. La distancia de esta válvula al recinto de la cámara será la suficiente para permitir que su cierre, en caso de emergencia, pueda efectuarse con el menor riesgo posible. La válvula de seccionamiento, como la tubería de conexión, será de acero, capaz de resistir la misma presión de servicio que la red de la Empresa suministradora de gas.
125
6.3.2.
Modo de inst alación
Las Estaciones receptoras podrán instalarse: a) al aire libre o a simple abrigo, b) en locales cerrados independientes, c) en armario. a) Estaciones al aire libre o a simpl e abri go Estas estaciones protegidas porcuarto una valla metálica o por undeberán máximo estar de tres muros (el será necesariamente una valla metálica). Uno de los tres muros podrá ser la pared de un edificio. En todo caso, podrán estar o no protegidas por un tejadillo de material ligero e incombustible. Cuando la Estación receptora colinde con propiedades de terceros o dominios públicos será obligatoria la existencia, como mínimo, de un muro de separación entre ambos. Esta solución asegura las mejores condiciones de ventilación. Es imprescindible, en este caso, tomar las precauciones suficientes para garantizar la seguridad y el buen funcionamiento de los aparatos de regulación y medida en las condiciones más favorables. b ) Esta ciones en l ocales cerrados o independiente s Las estaciones receptoras cerradas no tendrán comunicación directa con otros locales anexos tales como locales de calderas, salas de control, etc. Asimismo, no debe existir ningún local cuyo único acceso sea a través de la estación. Tendrán un volumen lo más reducido posible, recomendándose construir las paredes exteriores de ladrillo, hormigón u otro material resistente similar. En los locales cerrados deberán preverse aberturas de entrada de aire, protegidas por tela metálica, y aberturas de evacuación, de dimensiones suficientes para una buena ventilación. El espesor de las paredes de obra será, como mínimo, de: 30 cm si es de ladrillo, 25 hormigón, 15 cm si es de hormigón armado, con un recubrimiento mínimo de la armadura de 5 cm.
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El techo será de materiales ligeros e incombustibles, no pudiendo utilizarse vidrio. Deberá disponerse de tal forma que no esté firmemente sujeto a las paredes. Las puertas deberán abrirse hacia el exterior, abatirse completamente sobre el muro y estar provistas de un sistema de bloqueo. Asimismo, deben poder abrirse desde el interior por un simple empujón. c) Estacion es en armario Cuando las Estaciones receptoras estén construidas de forma compacta, de manera que todos los elementos que la componen se presenten agrupados en un bloque único, podrán instalarse en el interior de armarios metálicos o de otros materiales incombustibles provistos de las correspondientes rejillas de ventilación. Dichos armarios dispondrán de las puertas y de los elementos desmontables necesarios para permitir un cómodo acceso a todos los aparatos de la cámara de regulación, facilitando los trabajos de revisión y mantenimiento. Los armarios estarán situados al aire libre, estando provistos del sistema de protección que cada caso requiera, según su emplazamiento. La distancia mínima entre una Estación receptora y cualquier puerta de los locales contiguos será de 5 m. Las paredes de separación con otros locales se deberán construir con materiales resistentes y deberán ser estancas al gas. Serán tomadas lasaunque precauciones suficientes para estanquidad, las paredes tengan que ser mantener at ravesadasdicha por canalizaciones. El suelo deberá ser de material incombustible y no susceptible de producir chispas. Está prohibido el uso de plástico y de enrejado de acero para este fin. Para asegurar una ventilación suficiente en el interior de las Estaciones receptoras, la superficie libre total de las aberturas de entrada de aire no deberá ser inferior al 5 % de la superficie total del recinto, incluyendo suelo y techo. La superficie de las aberturas de evacuación de aire será igual, como mínimo, a la de las aberturas de entrada, sin posibilidad de cierre ni para unas ni para otros. Cuando la ventilación natural sea insuficiente, se asegurará mediante una ventilación mecánica con capacidad mínima de renovación del aire de 20 veces por hora.
127
Las aberturas de entrada de aire se encontrarán a 15 cm del suelo, las de evacuación debajo del techo y en el punto más alto del local. Las puertas que dan acceso a los locales anexos de calentamiento de calderas o sub-estaciones eléctricas, así como las entradas a locales que contengan productos inflamables, deberán encontrarse lejos de las aberturas de ventilación y nunca en el mismo lado de la Estación en que se encuentran las mismas. 6.3.3 Segur idad respecto a inst alaciones eléctricas Lcondiciones as Estaciones receptoras deberán cumplir las siguientes de seguridad: Interior de la Estación: •
Se permitirá solamente la conexión a una red de baja tensión (220 voltios).
•
Las instalaciones eléctricas interiores (iluminación, interruptores, cables, etc.) cumplirán las prescripciones para Baja Tensión y en particular, el artículo que se refiere a locales que presentan peligro de incendio o explosión.
•
Independientemente de ese Reglamento, todas las instalaciones interiores de las cámaras serán obligatoriamente de tipo antideflagrante, y las conducciones eléctricas, en toda su longitud, se efectuarán bajo tubo de acero.
•
No se permitirá ninguna toma de corriente dentro de la Estación.
Exterior de la Estación: •
Se prohibe que crucen cables eléctricos por encima de la Estación.
•
Los cables y sistemas eléctricos más cercanos a la Estación y que no sean antideflagrantes deberán estar a una distancia mínima de 10 m de la misma en caso de que sean aéreos, a menos que medie una pared resistente y extensa entre ellos y la Estación.
128
6.3.4. Precaucion es diversas Con respecto a la seguridad contra el exceso de presión a la salida del regulador, por funcionamiento defectuoso de éste, o por cualquier otra causa, cada línea de regulación irá equipada con dos válvulas de seguridad diferentes que, independientemente una de la otra, impidan a la salida del regulador un aumento de la presión superior a los límites fijados en sus condiciones de trabajo. Una de las válvulas actuará como reserva de la otra. Una de estas vál vulas, como hemos indicado anteriormente, será de rearme manu al, es decir, necesitará la intervención hombre para restablecer sus condiciones de trabajo. La otra serádelautomática, restableciéndose las condiciones de trabajo tan pronto como cese la anormalidad (válvula de resorte). La primera de estas válvulas se podrá tilizar u para cortar la alimentación de la línea si la presión de salida del regulador desciende por debajo del valor mínimo fijado para su buen funcionamiento (válvula de seguridad de máxima y mínima presión). Referente al silbido, que según el nivel sonoro puede llegar a molestar, producido en algunos casos por el regulador, las válvulas o las tuberías, se recomienda lo siguiente: • • • • •
evitar que el regulador, o su obús de paso, sea demasiado pequeño; evitar las válvulas de paso reducido; evitar las T rectas y, en general, todo cambio brusco de dirección; utilizar piezas de reducción en las que el ángulo de abertura sea inferior a 15 0C; mantener, siempre que sea posible, la velocidad de circulación del gas por los anteriores elementos y por las tuberías a una velocidad inferior a 30 m por segundo.
En las regiones que frecuentemente están expuestas a los efectos de las tormentas, será prudente proteger la instalación con un pararrayos o jaula de Faraday, concebido e instalado siguiendo las reglas que existen para los mismos. Las tomas de tierra deberán ser independientes de las demás instalaciones. Todas las instalaciones de la Estación receptora a partir de la salida de la junta dieléctrica deberán encontrarse siempre al mismo potencial eléctrico. Para lograrlo, se realizarán una o varias tomas de tierra cuya resistencia será en todo momento inferior a 10 ohmios.
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Las tuberías de escape de las válvulas de salida a la atmósfera se prolongarán por encima del local, por lo menos un metro sobre el punto más alto del techo. Se proveerán de un apaga-fuegos y la boca de salida estará coronada con un capuchón o cualquier dispositivo que impida la entrada de cuerpos extraños. Las chimeneas de las calderas o del cambiador de calor sobrepasarán, como mínimo, un metro del punto más elevado del techo y estarán alejadas de las tuberías de escape de gas a la atmósfera. Sus bocas se protegerán con sombreretes. No podrá instalarse ningún material suplementario al estrictamente necesario para la explotación de la Estación. Se prohibirá la entrada al personal ajeno a su funcionamiento o mantenimiento. Se instalarán extintores de polvo seco en número suficiente en las proximidades de la Estación y fuerade la misma. Se colocarán letreros de prohibición de fumar o producir chispas en la cámara de regulación y medida, en número suficiente y en lugares visibles. El utillaje de la cámara de regulación y medida deberá estar fabricado con materiales no susceptibles de provocar chispas. La válvula de seccionamiento exterior a la cámara estará claramente señalizada.
130
CAPITULO
VII
Circui to In terno de Gas
7.1 RED INTERIOR DE TUBERÍAS La r ed interior de tuberías comprende la tubería desde la válvula de la acometida de la Compañía distribuidora hasta la entrada de la Estación receptora (acometida interior), y las tuberías de distribución interior desde esta última hasta los puntos de consumo (red interior de distribución). Esta podrá ser más o menos extensa según existan muchos o pocos puntos de consumo, y las distancias de los mismos a la estación receptora sean más o menos grandes. Sila s distancias y los caudales no son importantesylospuntosde consumo pocos y próximos, se podrá establecer una red con tubos de diámetro apropiado para tener una pérdida de carga pequeña. En este caso, la presión de distribución puede ser la necesaria a los quemadores, y el gas puede tomarse de la estación receptora a dicha presión incrementada con las pérdidas de carga. Si las distancias y caudales son importantes y los puntos de consumo están espaciados, convendrá, en arasalaeconomíadelcostedela red de distribución, tomar el gas de la estación receptora a presión de 2 a 5 kg/cm2, y admitir una fuerte pérdida de carga en el cálculo de las tuberías. En este caso, la presión será muy variable en los distintos puntos de la red, en función de la distancia a la estación receptora y de las variaciones de consumo de los aparatos de utilización. Como éstos necesitan para su buen funcionamiento una presión lo más constante posible, obligarán a coloc más lo arpróximo a ellos o al conjunto de aparatos dentro de la misma ave, n un grupo de regulación de presión que, alimentado por la variable y alta presión de la red, alimente los quemadores a presión constante y apropiada. 7.1.1. Determin ación d el traza do Debe empezarse por establecer, en cada industria, un plano o esquema del trazado interior que se considere ideal, en el que figuran las indicaciones siguientes: •
tipodeg
•
situación de la estación receptora;
•
as y presión dispo nible
a la entrada de la stalación; in
situación diferentes aparatos de utilización, indicación de sulospotencia nominal (o consumo) y la presióncon de gas necesaria;
133
•
implantación de locales, situación de pipe tracks, alturas libres de paso y todas las indicaciones análogas cuando éstas puedan exigir sujeciones particulares en lo que se refiere al recorrido de la canalización
•
puntos del recorrido de donde extensiones.
derivarán
eventuales
Sobre el plano así preparado, se puede proceder al trazado de la •
red interior, destacando: disposición de las canalizaciones (enterradas, elevadas, en galería, en conductos, empotradas);
•
posición de los accesorios de la canalización que es necesario prever, como: órganos de cierre y accesorios del trazado: curvas, reducciones, etc.;
•
reguladores de presión de quemadores;
•
aparatos de medición o de control de caudales y presiones;
•
válvulas, filtros, potes de purgas, etc. El caudal de gas a transportar en cada tramo de la instalación es la suma de los caudales máximos absorbidos por los aparatos de utilización situados más abajo. Los cálculos se hacen en metros cúbicos normales (0º y 760 mm), determinados según el caudal térmico de los aparatos 3 (kcal/h) y el poder calorífico inferior del gas (kcal/Nm ).
En el cálculo de los caudales se tendrá en cuenta: •
los máximos de consumo;
•
eventualmente, los coeficientes que resulten de la no simultaneidad de utilización de los distintos aparatos;
•
las previsiones de futuras ampliaciones de consumo que se deriven de la extensión de la red o de un aumento de caudal en los tramos existentes. El caudal máximo horario contratado por el usuario se incrementará en un 20 % para determinar el diámetro mínimo de la acometida y del tramo de tubería inmediato a la Estación receptora;
134
•
La presión del gas en el extremo de la red, antes de los reguladores de los aparatos de utilización.
La presión de gas en la red se expresa en valor efectivo en bar, milibar o kg/cm2 y milímetros de columna de agua. Se tienen que considerar: •
presión de servicio. Es la presión que reina en la parte de red considerada. Puede variar de valor en diferentes p untos de la red, si ésta se En halla provista de tiene reguladores alimentando distintos tramos. caso contrario, por valor la presión de salida de la Estación receptora;
• •
presión máxima. Es la presión susceptible de alcanzarse en la canalización. Su valor es el de funcionamiento del último órgano de seguridad (válvula, membrana rompible, etc.) colocado más arriba y que fija el límite posible en la canalización en caso de mal funcionamiento del regulador de presión de la Estación receptora;
• •
presión de prueba. Es igual a una vez y media la presión máxima de servicio. Estando construida la canalización para una presión nominal igual, como mínimo, a la presión máxima de servicio, la presión de prueba puede considerarse como igual a una vez y media la presión nominal.
7.1.2. Condiciones relativas a ciertos recorridos La red interna de tuberías de distribución de gas natural se colocará preferentemente, y siempre que no presente grandesdificultades, del tipo aéreo. Es decir, se colocará en elevación, exteriormente o interiormente a los edificios y naves industriales, apoyada en soportes fijados a las paredes, a las armaduras, a las cubiertas, a los pies derechos de los locales o a los pies derechos particulares a la tubería. Siempre que exista unpipe track para soporte de tuberías de agua, vapor, combustible, aire comprimido, etc., se colocarán junto a ellas. Las distancias entre soportes no serán superiores a las indicadas a continuación: Diámetro tubería Distancia entre los pulgadas soportes en metros 0,5 1,8 0,75 - 1 2,4 1,1/43 -- 2,1/2 4 5-8 más de 8 1,25 o mayor (vertical)
3,0 4,5 6,1 7,6 1 soporte por piso
135
Las tuberías de gas no deben ser sostenidas por otras tuberías, sino que deben estar instaladas con soportes que tengan la suficiente resistencia. No obstante, cuando el caso lo equiera, r se podrán colocar enterradas en conductos o en galerías. En este caso, deberán tomarse las precauciones siguientes: 7.1.2.1 Cana lizaciones enterradas El recorrido de las tuberías enterradas debe escogerse, en lo posible, alejado de: •
vías férreas y rutas de paso de camiones (riesgo de vibraciones y apisonamiento);
•
plantaciones de árboles (empujes en el suelo por desarrollo de las raíces);
•
instalaciones eléctricas productoras de corrientes vagabundas, sobre todo corrientes continuas (vías férreas electrificadas).
Debe proscribirse: cruzar alcantarillas, recorrer por locales de servicio o bajo locales insuficientemente ventilados a causa del riesgo de acumulaciones de cas en caso de una eventual fuga. Es factible el cruce de alcantarillas o cavidades no ventiladas de cualquier haciendo pasarestanco el tubo por otro con forro naturaleza continuo , perfectamente en el el interior cruce de ‘y desbordando las dos extremidadesen el exterior. Está prohibido colocar, canalizaciones de gas en:
aun
en
recorrido
transversal,
•
conductos y galerías de humos;
•
cajas y conductos de ventilación, salvo cuando ha sido especialmente concebido para ese uso;
•
cajas y cuartos de maquinaria de ascensores y montacargas;
•
salas de transformadores, cuadros y material eléctrico;
•
cubas sanitarias inaccesibles;
•
cubas y depósitos de almacenamiento de combustibles sólidos y líquidos;
136
•
tubos de caída de correo o de basuras, así como los recipientes que los contengan.
•
espacios vacíos entre paredes.
Las tuberías que es tén en contacto con tier ra u otros materiales corrosivosdebenes tar protegidas contra la cor rosión. 7.1.2.2Canalizacionese n cajas y galería s écnicas t Debe evitarse el paso de las tuberías de gas por cajetines y galerías por donde pasen otras canalizaciones y cables eléctricos. Podrán cruzarse dichas cajas y galerías por tuberías de gas, cuando éstas pasen por el interior de otro tubo de acero estanco y con ventilación al exterior. Cuando sea absolutamente necesario que las tuberías de as g pasen porc ajas o galerías por las que no p asenotr as tub eríasde combustibles o cables eléctricos, dichas galerías deberán estar perfectamente ventiladas. 7.1.2.3 Canalizaciones en cajetines Las canalizaciones de gas en cajetines tienen la ventaja, en los locales industriales, de permitir una cómoda alimentación de los aparatos utilizando gas, en posición central. Si el cajetín está lleno de arena, la protección de la canalización debeseranálogaal adelascanali zacionesenterradas. 7.1.2.4 Canali zacion es empo tradas Las canalizaciones empotradas son aquellas cuyo recorrido está situado en el interior de muros, cerramientos o suelos. No debe confundirse con atravesar la pared, que es un paso perpendicular a la pared. El empotramiento de las tuberías degas es desaconsejable en las instalaciones industriales. 7.1.2.5 Canalizaciones de descarga eventu ales Las canalizaciones de descarga eventuales a la atmósfera (válvulas de seguridad, descarga reg de uladores, etc.) deben cumplir las condiciones siguientes:
137
•
evitar la creación de una pérdida de carga sensible en la canalización (diámetro suficiente y longitud corta);
•
hacer descargar el tubo eventual al exterior, con objeto de evitar la polución y los riesgos de incendio , en lugar situado como mínimo a 2,50 m del suelo y, también como mínimo, a 0,6 m de una abertura de las paredes, v entanas u orificios de ventilación.
7.1.2.6 Situaci ón d e la válvul a de aislamiento Debe preverse en el trazado de la red, a la entrada de cada canalización principal, una válvula de mando manual estanca en posición cerrada y, si es posible, de cierre rápido (900C) colocada en lugar fácilmente accesible, que permita el cierre completo del suministro de gas a la parte posterior. 7.1.3. Caracterís tic as de las tuberías Las tuberías, así como las piezas especiales y uniones, serán de acero al carbono obtenido en horno eléctrico o convertidor MartinSiemens, pudiendo ser con o sin soldadura. Cuandolas tuberías de distribución sean aéreas, podrá utilizarse también cobre. La soldadura puede ser longitudinal o helicoidal y se realiz ará siempre a máquina. Los procedimientos de soldadura admitidos son los siguientes: • soldadura eléctrica al arco; •
soldadura eléctrica, por resistencia;
•
soldadura automática al arco en atmósfera inerte (usando, por lo menos, dos pasadas de soldadura, una de las cuales se aplicará por la parte interior del tubo).
Las características generales de los tubos, así como las de los elementos y piezas especiales que se utilicen en la instalación, deben responder a las especificaciones de la norma del «American Petroleum Institute 5L grado B» UNE (API) o DIN aceptadas por el Ministerio de Industri a y Energía. La presión nominal de ltubo nosr eáin servicio.
138
ferior a la máxim ade
Los contenidos máximos en componentes del acero utilizado en la fabricación de los tubos, deben ser: (tubo sin soldadura)
< 0,31 %
(tubo con soldadura) Fósforo Azufre Azufre ± Fósforo Manganeso
< 0,29 % < 0,04 % < 0,05 % < 0,08 % < 1,30%
Carbono
El acero empleado en los tubos tendrá una relación entre el límite elástico y la carga de rotura no superior a 0,80 y un alargamiento sobre 5 diámetros en probeta de espesor igual al del tubo no debe ser inferior a: para espesores hasta 4 mm para espesores de 5 mm a 7 mm para espesores superiores a 7 mm
17 % 20 % 22 %
El cumplimiento de las especificaciones del material fijadasen los párrafos anteriores deberá ser demostrado por la firma instaladora, bajo su responsabilidad. El espesor teórico de las tuberías se calculará mediante la fórmula:
donde:
P1 x De P1xDi e = ---------------- = -----------------2x5xE 2(GxE — P1)
e = espesor teórico en cm; P1 = presión de cálculo en kg/cm 2 De = diámetro exterior en cm; Di = diámetro interior en cm; G = carga de trabajo en kg/cm2 E = factor de eficiencia de las uniones. La carga de trabajo G se define por: S G = --------K donde:
139
S = límite elástico mínimo del material empleado en kg/cm2 K = coeficiente de seguridad. La presión de cálculoP1 y el coeficiente de seguridadK se fijan de acuerdo con las condiciones de la conducción: a) para presiones superiores a 12 kg /cm 2 P1 = presión máxima de ejercicio prevista K= 2 b) para presiones inferiores o iguales a 12 kg/cm2 P1 = 12 kg/cm2 K= 4 El factor de eficiencia de las unionesE para tubos sin soldadura se toma igual a 1. Puede asimismo tomarse igual a 1 para los tubos con soldadura longitudinal o helicoidal que reúnan las condiciones especificadas anteriormente. El tubo a usar se elegirá de la tabla de fabricación, entre aquellos que, teniendo el mismo diámetro exterior, les correspond a un espesor inmediatamente superior al teórico calculado. En cualquier caso, el espesor del tubo no debe ser inferior a: 2 mm para diámetro exterior hasta 30 mm 2,6mm » » » de 31 a 65mm 2,9mm » » » de 66 a 160 mm 4mm » » » de 161 a 325 mm 5 mm » » » de 326 a 525 mm 5,9mm » » » de 526 a 730 mm 7,1mm » » » de 731 a 830mm Respecto al diámetro exterior y al espesor de las tuberías, se admiten las siguientes tolerancias: a) respecto al diámetro exterior
±1
b) respecto al espesor en cualquier punto para tubos de diámetro exterior hasta 457 mm
±15 % a -12 %
c) para tubos de diámetro exterior superior a 457 mm
± 15 % a -10 %
140
%
Las bridas serán de acero. Para presiones que puedan superar los 12 kg/cm2 serán del tipo con resalto, con cuello (llamadas Welding Neck) y forjadas. Se recomienda utilizar las bridas que a continuación se indican: a) para presiones superiores a 32 kg/cm 2 y pudiendo llegar hasta 60 kg/cm2: PN 64 con cuello. Para presiones no superiores a 32 kg/cm2: PN 40 con cuello; b) para presiones comprendidas entre 2 y 12 kg/cm 2 se aceptarán PN 16 con cuello. Las juntas serán preferentemente del tipo «Klingerit armado» cuando la presión efectiva sea igual o superior a 12 kg/cm 2, y en amianto comprimido grafitado tipo «Klingerit» cuandodela presión servicio sea inferior a 12 kg/cm 2. Las juntas dieléctricas estarán al aire libre y montadas de manera que no se pueda producir un cortocircuito de las bridas con un elemento conductor cualquiera. Se situarán después de la válvula de seccionamiento de entrada a la Estación receptora, y antes de la válvula de seccionamiento a la salida de dicha Estación. Las uniones de las bridas se efectuarán con pernos o barras roscadas con tuerca y arandela que presione bajo la tuerca. El ángulo de abertura total de las piezas de reducción en soldado no superará llegar a 35º. los 150. Para piezas en acero forjado, el ángulo podrá El ensamblaje de tubos, bridas, aparatos, accesorios y otros elementos de canalización, se efectuará por soldadura a tope, eléctrica. Las características de la soldadura deberán ser, por lo menos, iguales a las del metal de la tubería y deberán estar exentas de huecos o defectos, pudiendo exigirse, si es necesa rio o preceptivo, el radiografiado de las mismas. Para unión de tubos de pequeño diámetro y alta presión se recomienda usar, siempre que sea posible, la unión por soldadura o bridas, o bien anillos del tipo E RMETO. Los tubos tendrán, en todos los casos, la máxima longitud compatible con las característic as de la instalación, de forma que la conducción presente el mínimo de soldaduras de unión.
141
7.1.4.
Determin ación del diámetro de las tub erías
7.1.4.1 Generali dades Para calcular los diámetros de una red interior de uberías, t resulta práctico descomponerla en un conjunto de «tramos», unidos por «empalmes» o «derivaciones» alimentando los «puntos ed utilización». Los «puntos de utilización» están situados a la entrada de los aparatos dedeutilización, detrás de los dispositivos eventuales regulacióninmediatamente (reguladores-reductores). Un «empalme» o «derivación» es el punto en el cual el caudal principal de gas se divide en dos o varios caudales secundarios. Se entiende por «tramo» la longitud continua de tubería, llevando o no accesorios de canalización, recorrida en cada instante, en cualquiera de sus secciones, por el mismo caudal másico de gas. El diámetro de un tramo es constante en toda su longitud; los accesorios de canalización tienen el calibre correspondiente. Un tramo conecta: •
la canalización de la red de distribución desde la estación
•
receptora hasta el primer «empalme»; dos empalmes consecutivos;
•
un empalme hasta su punto de utilización.
Calcular una canalización consiste en determinar el diámetro de cada uno de los tramos, para que, con los caudales previstos: 1) la presión de gas en cada punto de utilización sea siempre superior o igual a la presión mínima necesaria para el buen funcionamiento del aparato; 2) la velocidad real de circulación, en cualquier punto de la conducción, no exceda de un valor crítico (30 m/s), generador de ruido y vibraciones, teniendo en cuenta el caudal real a la presión de circulación. Estas dos condiciones son complementarias: la primera, se refiere a la pérdida de carga de la tubería; la segunda, a la velocidad de circulación del gas.
142
En la práctica se observa que: •
en las instalaciones en las que la presión a la entrada es poco elevada o próxima a la presión de los puntos de utilización, se calculará el diámetro de los tramos por la pérdida de carga admisible, que resultaría baja. Los diámetros resultantes conducen, generalmente, a velocidades de circulación inferior al límite recomendado;
•
en las instalaciones de gas natural a alta presión ramificadas, llamadas pescado» y provistas reductores de presiónenal«espina final de de la canalización principal, de la pérdida de carga puede ser relativamente importante. En este caso, resultan diámetros de tuberías reducidos, siendo preciso entonces comprobar el valor de la velocidad de circulación.
Por razones de economía, conviene no sobredimensionar la instalación. Esta última condición es menos imperativa que las dos precedentes. No obstante, siempre que se presente una incertidumbre sobre el valor numérico de unparámetro, se escogerá aquel que dé un aumento del diámetro. Igualmente, los diámetros calculados se redondearán a los diámetros normalizados inmediatamente superiores. Las pérdidas decarga admisible para el cálculo del diámetro de tuberías serán las indicadas a continuación: Para acometida interior (desde válvula de la acometida hasta entrada del regulador)
distribución categoría MPA 2,5 % de la presión mínima de suministro. Como ésta no puede ser inferior a 500 mm e. a., la pérdida de carga no será superior a 12,5 mm. distribución categoría MPB
ddistribución istribución categoría APII API y
2,5 % de la presión mínima de suministro. Como ésta no será inferior a 0,4 kg/cm2, la pérdida de carga no será superior a 100 mm c. a.
2,5 % de la presión efectiva mínima.
143
Para red de distr ibución interior (desde válvula salida de la estación receptora hasta puntos de utilización) distribución categoría MPA distribución categoría MPB
15 mm c. a. 10 % presión salida regulador.
distribución categoría I (presión salida regulador < 50 mbar)
15 mm c.a.
distribución categoría presión salida reguladoIIr = 1 a 4 bar kg/cm2) 10 % presión salida regulador En todos los casos, la velocidad de circulación del gas por las tuberías será inferior a 30 m/s. En una tubería de diámetro dete rminado, circulando un caudal de gas correspondiente a una velocidad pequeña, el derrame se hace por filetes paralelos: es el régimen laminar o de Poiselle. Para un caudal correspondiente a una velocidad elevada, se forman remolinos en el gas: es el régimen turbulento o de Venturi. Existe finalmente una zona intermedia donde las leyes del derrame están bastante mal definidas: es el régimen turbado o de Reynolds. 7.2 COMPROBACIÓN, ENSAYOS, PUESTA EN SERVICIO Y PA RO DE LA EXPLOTACIÓN Una vez terminado el montaje de las instalaciones de gas y red interna de tuberías, y antes de su conexión con la acometida de suministro de la Empresa distribuidora, se realizan una serie de ensayos, que corrientemente sonlos siguientes: •
Ensayo de resistencia mecánica (prueba hidráulica) del conjunto de tuberías y accesorios instalados (siempre que lo exijan las reglamentaciones oficiales o de la Empresa distribuidora).
•
Ensayos de estanquidad, que deben efectuarse siempre antes de la primera en servicio o después de cualquier modificación de puesta la instalación.
•
Control radiográfico de las soldaduras.
144
•
Ensayo de funcionamiento que tiene por objeto comprobar, con los aparatos de utilización en servicio, que la instalación, los aparatos de regulación, medida y control, así como la red de distribución interna, responden a las exigencias de explotación previstas.
7.2.1. Ensayo de resistencia mecánica Este ensayo consiste en someter al conjunto de tuberías y accesorios de canalización y valvulería a una presión hidráulica de prueba, a excepción los aparatos de presión, control accesorios diversos de garantizados porreductores el constructor y aislados pory una junta ciega. El agua utilizada debe estar exenta de sedimentos en suspensión. A continuación de la prueba, la canalización debe purgarse y secarse cuidadosamente. La presión de prueba será 1,5 veces la presión máxima susceptible de alcanzarse, con un margen de± 10 %. La presión se controla por un manómetro, cuya precisión permita evaluar el valor absoluto del margen citado. La presión debe mantenerse sin variación durante el tiempo necesario a la inspección de la instalación. Durante las pruebas las canalizaciones deben ser visitableso en toda sudentro extensión. Los elementos enterrados, empotrados colocados de forros protectores deben haberse probado previamente. 7.2.2.
Ensayo de estanq uidad
Este ensayo se realiza sobre el conjunto de canalizaciones y accesorios sometidos al mismo tipo de presión. Durante los ensayos, toda la canalización debe ser visitable. En general, el ensayo de estanquidad se efectúa con aire, con gas inerte o con el gas distribuido, y consiste en llevar el fluido a la presión de ensayo y comprobar la ausencia de fugas. Las presiones y tiempos de ensayo serán las siguientes:
145
Presión de Trabajo 0 a 350 mm c.d.a. 350 a 3500 mm c.d.a. 3500 mm a 2,3 kg/cm2 superior a 2,3 kg/cm2
Presión de Ensayo 0,21 kg/cm2 1 kg/cm2 3,5 kg/cm2 Presión de trabajo x 1,5
Tiempo 10 minutos 24 horas 24 horas 24 horas
La presión deberá permanecer constante durante el tiempo de prueba, considerando las variaciones de temperatura antes y al final del ensayo. La presión se medirá: • •
en baja presión, por un manómetro de columna de líquido. en media y alta presión, por un manómetro de columna de mercurio o por un manómetro metálico cuya sensibilidad sea, como mínimo, igual al 5 % de la presión de ensayo.
Cuando se haya obtenido la estabilización de la presión en la canalización ensayada, se comprueba que la misma quede completamente aislada, por medio de válvulas o de bridas, del resto de la instalación. No se procederá nunca a la localización de fugas de gas combustible mediante el empleo de una llama, cerilla, etc. Dicha localización se efectuará con un pincel mojado en agua jabonosa o en productoestopadas, espumante, soldaduras, etc.aplicado en todas las juntas, racores, 7.2.3.
Control radiog ráfico de las sold aduras
El control radiográfico se efectuará en todas las uniones que se hagan con soldadura, al 100 % para las canalizaciones que 2 puedan ser sometidas a una presión igual o superior a 32 kg/cm . 2 Para La canalización sometida a una presión inferior a 32 kg/cm , las radiografías se harán al 30 % de las soldaduras. En este caso, el ensayo se efectuará por muestreo, siguiendo el criterio de selección que establezca en cada caso la Empresa distribuidora. 7.2.4.
Ensayo de func ionamiento
Después de que se hayan realizado los ensayos de presión y estanquidad, deberá purgarse con gas la red, con el fin de expulsar el aire o los gases inertes de la prueba, de forma que quede en disposición de su puesta en servicio, sin peligro de mezclas explosivas.
146
Para ello, se conectarán los extremos de la red con una manguera o tubería eventual, cuyo extremo de salida de purga estará al aire libre, y como mínimo a 3 m de cualquier edificio o toma de aire. También podrá purgarse mediante una antorcha o quemador de purga precedido de un cierre hidráulico anti-retorno de llama. Para conocer si la tubería está bien purgada se tomaran muestras con globo de toma de muestras. En el lugar en que se efectúe la purga, no se permitirá fumar, tomándose las máximas precauciones contra todo posible foco de inflamación. A continuación un ensayoque de funcionamiento de toda la instalación, conseelefectuará fin de comprobar las presiones en distintos puntos de utilización son las prefijadas, y que todos los aparatos de regulación, filtrado, contaje, etc., funcionan perfectamente. Siempre que sea posible, este ensayo se efectuará antes de la puesta en servicio definitiva de la instalación. El resultado de este ensayo figurará en el dossier técnico de la instalación. En caso de eventual puesta fuera de servicio de la instalación, las conducciones de gas deberán igualmente purgarse como anteriormente, empleando en este caso aire insuflado, tomando todas las precauciones necesarias para evitar cualquier inflamación. Es recomendable en cualquier caso, y especialmente cuando la tubería sea de un diámetro igual o mayor de 100 mm, efectuar las purgas mediante anhídrido carbónico, nitrógeno o con una mezcla de ambos.
147
CAPITULO
VIII
Quema dor es de gas natur al
8.1 FUNCIONES Y CONDICIONES BASICAS El quemador representa el corazón de cualquier sistema de combustión industrial y su diseño, montaje y funcionamiento, factores determinantes para lograr el aprovechamiento racional del potencial calorífico del combustible. En el caso particular de la utilización de gas natural, su importancia en el proceso es aún mayor, por resultar su diseño un factor fundamental para aprovechar las ventajas y compensar las desventajas que ofrece el gas natural respecto a otros comb ustibles Cualquier quemador debe cumplir 5 funciones en elproceso de combustión; analicemos su comportamiento para el caso del gas natural: •
Ap ortar co mb us tibl e en las co nd icio nes adecu adas para su adecuado encendido y combustión: En el caso del gas natural que llega con su propio impulso y no requiere pulverización ni atomización, esta función se limita al control y regulación del flujo a través de la presión del propio gas, en función del impulso requerido a la salida de la tobera.
•
A portar parcial o totalmente, el aire con el oxígeno necesario para la combustión : Al disponer el gas natural de energía cinética los quemadores podría prescindir de aire primario, actuando el chorro de gas como flujo dominante succión del 100% de aire secundario.
•
Mezclar aire y combustible, aport ando la energía cinética para formar la llama que resulte adecuada a la cámara de combustión y el proceso: Esta es la principal función de los quemadores; en el caso del gas natural resulta particularmente importante, porque al contrario de los quemadores de carbón y petróleo, en los cuales la cinética de la reacción depende de la turbulencia y la intensidad de mezcla, en la combustión de gas se tiene que demorar la mezcla cuando se requiere aumentar la emisividad de la llama.
•
Encender y quemar la mezcla , se efectúa mediante un quemador auxiliar piloto o ignitor con Diesel o Gas, que debe mantenerse hasta que el calor liberado sea mayor que el .a bsorbido por eldemedio, manteniéndose estable la llama por encima del punto ignición.
151
•
Desplazar los productos de la combustión, cuando se trabaja con tiro forzado. En el caso de gas natural, siendo mayor el volumen de gases de combustión, la exigencia de impulso será mayor.
Las condiciones básicas que un quemador debe satisfacer para conseguir una buena combustión, se analizan en los siguientes puntos: a) Elegido procesoen funció n del hogar o cámara de combustió n y del El diseño o selección del quemador debe elegirse de acuerdo a: •
La forma, dimensiones y temperaturas de las paredes del hogar o cámara de combustión.
•
El tipo de funcionamiento: continuo ointermitente.
•
El tipo de combustible y exceso de aire requerido.
•
Condicionamientos del proceso
b) Margen de regul ación adecuado El ma rgen de regulación indica la relación entre el caudal máximo y mínimo de combustible que gasta un quemador. Esta relación es propia de cualquier tipo de quemador y depende fundamentalmente de los siguientes factores: - Combustible utilizado. - Dimensiones de los conductores de aire y combustible. - Velocidad del aire y del combustible. - Forma de mezcla de los mismos. El gas natural permite alcanzar márgenes de regulación muy amplios en todos los tipos de quemadores. c) Estabilidad d e funcion amiento La estabilidad de un quemador se define como la capacidad de ma llama dentro de los campoincluso de regulación es ntener decir, lamantener estable el límites frente de desullama, con ,la cámara de combustión fría o en condiciones de presión distintas de las diseñadas para el quemador.
152
La estabilidad del frente de llama depende en gran medida del equilibrio que debe existir entre la velocidad de la mezcla airecombustible y la de propagación de la llama. Si la velocidad de la mezcla combustible que ingresa a la cámara de combustión u horno es m ayor que la velocidad con la que se quema, se producirá el despegue de llama y en caso contrario, la"retrollama" o retroceso de la llama, hasta extinguirse en el quemador. En los quemadores de premezcla siempre existe latente la posibilidad de retrollama, mientras que en las de llamas de difusión, con mucho exceso de aire se produce el desprendimiento. d) Control sobre la forma y dimensiones de la llama. La forma y dimensiones de una llama vienen determinadas fundamentalmente por la potencia del quemador; sin embargo, pueden modificarse dentro de ciertos límites, por una serie de variables entre las que se pueden destacar: -
Grado de turbulencia. Velocidad de la mezcla. Exceso de aire. Presión del aire de combustión. Tamaño de las gotas pulverizadas en los combustibles líquidos.
El control sobre la llama resulta muy fácil con gas natural en cuanto a la facilidad de mezcla, pero ello resulta contraproducente cuando se requiere transferencia de calor por radiación. e)Sistemasd e protecciónadecuados Los quemadores deben disponer de sistemas de protección, principalmente en los siguientes puntos: -
Puesta en marcha: Antes de la ignición debe procederse al barrido de la cámara de combustión para evitar el riesgo de explosiones.
-
Protección ante el fallo de llama: La pérdida de llama por cualquier causa debe cortar inmediatamente la alimentación de combustible.
-
Protección ante situaciones peligrosas: Bajo nivel de agua en la caldera o interrupción de la alimentación de un horno, deben cortar inmediatamente la alimentación de combustible.
153
La seguridad resulta de carácter fundamental en el diseño y control operativo de los quemadores de gas, en razón de su volatilidad y que no resulta evidente su presencia, como en el caso de otros combustibles. Las exigencias fundamentales a las que tienen que responder los quemadores en planta son: •
Lograr una intensidad elevada de combustión, es decir, quemar la mayor cantidad de combustible en un volumen determinado.
•
Conseguir el máximo campo de regulación que sea compatible con el rendimiento de la combustión.
•
Llegar a un rendimiento de combustión (relación entre el calor liberado y el poder calorífico), que sea superior al 99%.
•
Evitar desperfectos en las paredes o en los tubos de la cámara de combustión debido a depósitos de carbón y hollín.
•
Capacidad de modificar la forma de llama dentro de algunos límites, para permitir la posibilidad de adaptación a las dimensiones de la cámara de combustión.
8.2 CLASIFICACIÓN DE LO S QUEMADORES DE GAS NATURAL Los quemadores de gas natural pueden clasificarse de acuerdo a los siguientes parámetros: PRESIÓN DE TRABAJO • • •
Baja presión: 2 a 5 onzas por pulgada cuadrada (osi) Media presión: 8 onzas a 2 psi Alta presión: 2 a 50 ps.
FORMA DE INCORPORACIÓN DEL AIRE • Atmosférico: cuando el aire de la combustión es tomado en forma directa de la atmósfera. • Aire a presión: cuando cuenta generalmente con un ventilador centrífugo para proporcionar al aire indispensable para producir la combustión. Se denomina quemador de gas/aire.
154
GRADO DE A UTOMATISMO •
• •
Automático: cuando están provistos de dispositivos de control de llama, encendido, mando y regulación de acción automática. Semiautomático: el encendido se efectúa manualmente. Manual: la regulación y el encendido se efectúan manualmente.
Los dispositivos de mando del quemador están constituidos por el conjunto de se elementos que de permiten controlar que su funcionamiento realice dentro un programa preestablecido, según las condiciones necesarias de seguridad y los parámetros de operación que se requieren. Existen dos tipos de controles básicos: •
De funcionamiento u operación normal.
•
De seguridad.
8.2.1 Qu emador atmosférico En la Figura 8.1 se muestra un quemador atmosférico, uno de los más utilizados en la práctica se lo suele denominar “túnel” y se puede o baja las presión de suministro gas. En el Cua droaplicar 8.1 para se alta indican capacidades y de dimensiones aproximadas. Figura 8.1 Quemador atmosférico
155
Cuadro 8.1
Este quemador, como se observa en la figura, cuenta con una tobera de inyección de gas en forma de tubo venturi, aspirando el aire primario necesario para la combustión a través de los orificios de la parte posterior del quemador, provocando una mezcla íntima del aire y gas. Como el quemador no llega a inducir la totalidad del aire de la combustión, se introduce el aire secundario a través de un segundo registro, dispuesto en general en el frente del quemador, de acuerdo a lo indicado en la Figur a 8.2. Figura 8.2 Tubo Venturi
El valor de la relación aire-gas se regula mediante un registro sobre el aire primario, con objeto de lograr la llama adecuada. Para casos de calderas de calefacción o industriales suelen diseñarse quemadores atmosféricos tipo multitoberas, que son un conjunto de quemadores del tipo mencionado precedentemente, que trabajan simultáneamente, en forma proporcional a la cantidad de calor a suministrar.
156
En la Figura 8.3 , se indica un quemador de esta característica, que es totalmente automático, y en la Figura 8.4, el esquema de funcionamiento. Figura 8.3 Quemado r automático multit obera
Figura 8.4 Esquema d e funcionamiento quemador automático multitobera
Otra variante muy utilizada de quemadores atmosféricos son los del tipo lineal, que consiste en quemadores con numerosos orificios de salida, dispuestos en tramos rectos, como se muestra en la Figura 8.5.
157
Figura 8.5 Quemador es lineales
El aire llega a dichos orificios y toma de la atmósfera la totalidad del aire para la combustión. 8.2.2 Quemadores de gas/aire En este tipo de quemador, el aire se suministra a una presión adecuada superior a la del gas, de modo de formar la mezcla apropiada. El aporte de aire forzado representa el aire primario, pudiendo incorporarse una cierta cantidad de aire secundario por aspiración manual. En la Figura 8.6 se muestra un quemador de estas características, de funcionamiento automático, en la que se utiliza un ventilador del tipocentrífugo,queeselqueprovocala entrada de aire. Figura 8.6 Quemador Gas – Aire
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En estos tipos son muy utilizados los quemadores de premezcla . En los quemadores de premezcla, el gas es inducido por el aire que se inyecta en un tubo tipo venturi, efectuándose la mezcla en su casi totalidad antes de producirse la combustión, como se indica en la Figura 8.7. Figura 8.7 Quemador pre-mezcla
8.3 FUNCIONAMIENTO DE LOS QUEMADORES 8.3.1 Encendido Los equipos pueden venir provistos con quemadores pilotos o sin ellos para el encendido del quemador principal. Cuando se utilizan pilotos, su capacidad no debe exceder del 3 % de la máxima potencia del quemador principal, y su encendido y funcionamiento debe ser independiente del mismo. El piloto puede clasificarse según su funcionamiento de la siguiente manera: •
•
•
Continuo : cuando funciona durante todo el período de servicio del equipo, independiente de la operación del quemador principal. Intermitente : cuando enciende automáticamente cada vez que es necesario encender el quemador principal y permanece en operación mientras el mismo funcione. Interrumpido : cuando enciende automáticamente cada véz
que es necesario principal, apagándose una vez finalizado encender el tiempo el dequemador su encendido. Se exige para quemadores automáticos con carga térmica superior a 1.500.000 kcal/h.
159
Para el encendido del piloto pueden utiizarse electrodos que provocan una chispa que srcina la ignición, mediante la aplicación de alta tensión en sus bornes, empleándose para ello un transformador. Los electrodos para el encendido eléctrico deben ser diseñados con materiales que no se quemen en un período relativamente corto (nicrone), debiéndose ubicar y fijar en la posición correcta sin deformaciones mecánicas de ningún tipo, evitando la acumulación de residuos de carbón en sus bornes. Pueden utilizarse quemadores sin piloto para calderas automáticas, cuando la capacidad nominal del equipo no supere las 500.000 kcal/h. Por otra parte, para quemadores de más de 100.000 kcal/h, en el arranque del quemador principal se limita la capacidad de ignición, empleándose un sistema denominado de bajo fuego. Los sistemas de encendido a bajo fuego consisten en producir el mismo en el quemador principal en dos etapas, comenzando con un valor máximo de carga térmica del 30 % de la capacidad nominal hasta 300.000 kcal/h y del 20 % para capacidades mayores. El arranque bajo fuego produce dos ventajas: •
Reducción del ruido o micro explosión, que se srcina en el momento del arranque.
•
Disminución del retroceso inicial de Ia llama, por efecto del aumento instantáneo del volumen de los gases de la combustión, que es difícil de eliminar por el circuito de evacuación, debido a la inercia de los mismos.
8.3.2 Regulaci ón d e la potenci a de fuego Para regular la potencia del fuego de los quemadores, existen tres sistemas básicos que se basan en el accionamiento de una válvula automática del caudal de gas, a saber: • • •
Tipo modulante. todo o nada. Tipo alto y bajo fuego.
160
El tipo todo o nada es una válvula de control de suministro de gas que intermitentemente abre o cierra el suministro, dentro de límites prefijados de funcionamiento normal. El tipo modulante es una válvula de control que regula el suministro del gas principal en todo el margen, desde la posición abierta a la posición cerrada. La modulación se efectúa por medio de un controlador y un motor potenciométrico. En estos sistemas se logra economía de combustible con una mayor seguridad, al estar la llama constantemente encendida. Se recomienda para quemadores de más de 600.000 kcal/h. El tipo alto y bajo fuego se los denomina semimodulante, en los cuales el actuador de la válvula de cierre se provee en dos posiciones, con la que se logra mediante el uso de dos controles límites de funcionamiento normal, obtener llama alta, baja o cerrado. 8.3.3 Aire para la combu stió n En el equipo de combustión, se debe introducir el aire, de modo tal que se obtenga una mezcla íntima del gas y el aire, a fin de completar la combustión dentro del espacio previsto para ello. Se deben instalar, entonces, los controles necesarios que impidan la habilitación del suministro del gas, hasta tanto no se cuente con el aire requerido para la combustión. Para el adecuado funcionamiento de los quemadores se requiere un control sobre la mezcla aire-gas, el que puede efectuarse en forma manual o automática. Para la regulación manual se utilizan registros de regulación que operan sobre el caudal de gas o del aire circulante, como se muestra en la Figura 8 .8.
161
Figura 8.8 Quemador p re-mez cla
Para la regulación automática se utilizan válvulas proporcionantes o reguladores a cero. Estos reguladores están diseñados para ser utilizados en quemadores de gas con aire forzado, para mant ener la relación aire-gas constante en todo su rango de capacidad. El regulador cero es una válvula mezcladora, que consta de un diafragma, en la que en una cara presiona el gas, siendo equilibrado en la otra cara por la presión atmosférica, o presión manométrica cero, de allí el nombre del regulador. En la Figura 8.9 se indica el esquema elemental de funcionamiento. La depresión producida por la circulación del aire por el venturi, actúa sobre la cara del diafragma, permitiendo mediante una vinculación actuar sobre la válvula de admisión, produciéndose un mayor paso de ga s.
162
Figura 8.9 Regulador cero
En la Figura 8.10 se muestra el montaje de este elemento en un quemador. De esa manera, para variar la capacidad del quemador, sólo es necesario accionar la válvula de aire, manteniendo, por acción del regulador cero, la propo rcionalidad del gas a emplear. Figur a 8.10 Montaje Re gul ador Cero
163
8.3.4 Contro les de Segur idad Los quemadores deben contar con sistemas de seguridad que dependerán del tamaño del quemador y sus características de funcionamiento. Básicamente la interrupción del funcionamiento del quemador debe efectuarse cuando: • • • • •
•
No se detecte llama en el piloto, o quemador principal (control de llama o combustión). Interrupción de la corriente eléctrica. Interrupción del tiro a través de la cámara de combustión. Interrupción en el suministro de gas. Presión excesiva en instalaciones de vapor o temperaturas demasiado elevadas en instalaciones de agua caliente (control de límite). Presión excesiva o demasiado baja del gas de suministro (control de límite).
Los sistemas de seguridad que se implementen deben tener la capacidad de la puesta fuera de servicio del equipo, mediante el bloqueo del pasaje del gas a los quemadores o conjunto de éstos, utilizando para ello válvulas automáticas de cierre. 8.3.5 Dispositivos de contro l de combus tión Consisten en un conjunto de elementos que permiten verificar la presencia de llama, tanto en el quemador principal como en el piloto. Los sensores de llama pueden ser: •
Térmicos (termocuplas, para calderas semiautomáticas y manuales).
•
Iónicos (varillas de rectificación).
•
Radiación (fotoeléctricos).
164
TÉRMICOS (TERMOCUPLAS) Son elementos sensibles al calor, que actúan sobre el piloto, que srcinan por calentamiento una pequeña corriente eléctrica, que accionan sobre una bobina que mantiene la válvula principal abierta durante el tiempo de encendido de la llama piloto. En la maniobra de puesta en servicio se efectúa la retención de la válvula del piloto abierta en forma manual con un botón, hasta que la bobina de la termocupla efectúe dicha retención y produzca el encendido de la llama principal. Si por cualquier eventualidad se apaga la llama, este control corta automáticamente el suministro de gas al quemador, mediante el accionamiento de cierre de la válvula de seguridad. El inconveniente de este sistema reside en que la termocupla tarda bastante para ser calentada por el piloto y, también, requiere un tiempo grande en actuar, después de una falla de la llama, generalmente de 20 a 60 segundos. Durante dicho lapso permanece abierta la válvula principal de admisión de gas a la cámara de combustión, a pesar de no existir llama en el quemador. J ÓNICOS (VARIL LA S DE RECTIFICACIÓN) La presencia de la llama puede ser detectada por la conductibilidad eléctrica de la misma. En efecto, a altas temperaturas las moléculas de combustible y el aire circundante se ionizan, haciéndose conductora y permitiendo circular corriente en un solo sentido, o sea se rectifica la corriente de alterna en continua. Para aprovechar este efecto se utiliza una varilla o sonda de detección, que consiste en un electrodo sumergido en la llama principal o piloto, según se indica en el esquema de la Figura 8.11. De modo, entonces, que al apagarse la llama cesa la circulación de corriente, lo que provoca el cierre de la válvula de seguridad, produciéndose el corte del suministro del gas prácticamente en forma instantánea.
165
Figu ra 8.11 Esquema de control de combus tión
RADIACIÓN (FOTOELÉCTRICOS) Consiste en la detección de la llama por efecto de la radiación, provocada sobre un elemento sensible, que se denomina célula fotoeléctrica o fotocélula. Estos detectores se basan en la captación de las radiaciones que se producen en el proceso de combustión, pudiendo actuar de acuerdo a la característica de funcionamiento, dentro de la gama infrarroja o la ultravioleta. Los detectores del tipo infrarrojo detectan los destellos que se producen en la llama, mientras que los ultravioletas reaccionan en la zona de combustión primaria, donde tiene lugar la reacción entre el combustible y el comburente. Ubicación del detector de llama La ubicación del detector de llama con respecto al piloto y quemador principal, debe ser tal, que no se habilite este último hasta tanto no exista la ignición satisfactoria del piloto. A fin de evitar cortes periódicos del artefacto en caso de variaciones de llama, deben diseñarse los quemadores pilotos de forma de que tengan llama estable, con suficiente área de alcance.
166
En caso de utilizarse termocuplas o varillas de detección, deben ubicarse suficientemente expuestas a la llama, debiéndose instalar y soportar los quemadores pilotos y los detectores de llama, de modo tal que la posición relativa entre sí y la llama del quemador asociado, quede fija y permanente. Tiempo de seguridad en el arranque El tiempo de seguridad en el arranque es el período entre el comienzo de la secuencia de encendido del quemador y la interrupción de ésta, si por cualquier eventualidad no se produce. Por razones de seguridad ese tiempo debe ser el mínimo posible. Por otra parte, si se produce un corte por acción del dispositivo de seguridad, debe existir un tiempo de espera, que es el período entre la puesta fuera de servicio del q uemador y el reinicio de la secuencia de encendido del mismo. Cuando se utilizan quemadores con pilotos interrumpidos, debe verificarse que una vez detectada la llama en el quemador piloto y habilitado el quemador principal, se apague el piloto en funcionamiento bajo fuego, en un período máximo de 5 segundos, debiendo quedar el sensor de llama controlando en forma efectiva la llama del quemador principal. Ap agad o de llama En caso de extinción de llama estando el quemador en servicio, si se trata de quemadores semiautomáticos o manuales, deben quedar fuera de servicio en un tiempo máximo de 4 segundos para capacidades mayores de 100.000 kcal/h, admitiéndose hasta 45 segundos para capacidades iguales o menores que aquélla. Sin embargo, para quemadores automáticos se admite el reencendido o sea el intento automático de encendido del mismo nuevamente en un lapso máximo de 1 segundo, hasta una capacidad de 100.000 kcal/h. Para una mayor seguridad en quemadores automáticos de hasta 5.000.000 kcal/h se emplea el rearranque que consiste en provocar el reencendido del mismo, pero cumpliendo todas las secuencias de seguridad de arranque, en un tiempo máximo de 1 segundo.
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Para quemadores automáticos con capacidades mayores que 5.000.000 kcal/h no se admite el reencendido o rearranque del quemador, debiendo quedar el quemador fuera de servicio en un lapso máximo de 4 segundos. Estos quemadores deben contar con dispositivos de control de llama capaces de autoverificarse. La autoverificación consiste en un sistema que permite verificar el buen funcionamiento del dispositivo control de llama, ya sea el sensor propiamente dicho, relay, el etc.,autocontrol, debiéndose,producirse en caso de comprobarse una falla durante la puesta fuera de servicio del quemador por seguridad de combustión. Esta autoverificación debe realizarse como mínimo cada 10 segundos. En forma opcional se admite la instalación de dos dispositivos de control de llama que operen simultá neamente, debiendo en el caso de fallar uno de ellos, parar el funcionamiento del quemador. Disposi tivos de control d e límite Estos controles deben evitar la puesta en marcha o provocar la salida de servicio del equipo, si se producen condiciones límites prefijadas que superen los valores de funcionamiento normal. Estas condiciones límites pueden ser las siguientes: • • •
Exceso de presión o bajo nivel de agua en instalaciones de vapor. Excesodetempera tura en instalaciones edaguacaliente. Presión baja o elevada del gas de suministro.
Para ello se emplean termostatos o presostatos. Cuando se producen estas condiciones límites de seguridad, el quemador sólo debe poder ponerse en funcionamiento nuevamente, después de desbloquear manualmente el dispositivo de mando del equipo, dando lugar a que se verifique el motivo de la falla.
168
Para equipos mayores de 100.000 kcal/h, se deben prever sistemas de alarma audible y/o visual, que indique la falla operativa de la caldera o la falla producida. Los controles de límite de alta o baja presión de gas se exigen para equipos de carga térmica superior a 1.000.000 kcal/h. Programa dores automáticos En general, para el comando de las distintas operaciones de los quemadores queéstos provistos programadores automáticos regulanvienen y efectúan el controlde de combustió n y de límite. En la Figura 8.12 se muestra el conexionado eléctrico en forma simplificada, de un programador para un quemador automático hasta 100.000 kcal/h, con prebarrido. Figu ra 8.12 Programa dor automático
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En la parte inferior se indica la secuencia de encendido donde se representan los distintos tiempos de operación de los elementos. En el primer caso de arranque normal (1), se observa en el diagrama que se pone en marcha el motor del ventilador M, efectuando el prebarrido de la cámara de combustión (en un tiempo mínimo de 12 segundos). Luego se pone en marcha el electrodo de encendido (Z), abriéndose la válvula solenoide de pasaje de gas al quemador piloto (V1) encendiéndose y activándose de esa manera la sonda de ionización (SI). Luego de pasado un tiempo seguridad de en el arranque (que no debe exceder de 15desegundos, acuerdo a (ts) lo indicado precedentemente), se abre la válvula solenoide del quemador principal (V2). En el segundo caso (II), si pasado el lapso del prebarrido y activado el electrodo de e ncendido, nose detectara llama en el quemador pilot o al abrirse la válvula solenoide (V1), en el tiempo de seguridad (ts) establecido , se anula la sec uencia de encendido y se activa la alarma (A). Válvulas automáticas de cierre Las válvulas automáticas de cierre son aquellas que cierran o abren automáticamente el paso del gas, según la señal que reciban del dispositivo de mando correspondiente, por ejemplo un termostato, presostato, etc. Estas válvulas denominadas solenoides , son una combinación de dos unidades básicas, según se indica en la Figura 8.13 . Figu ra 8.13 Válvulas solenoides
170
•
Solenoide o elemento electromagnético, constituido por un arrollamiento o bobina, que se encuentra montada sobre el cuerpo de la válvula, según se muestra en la figura y el núcleo móvil tomado al vástago de la válvula.
•
Válvula propiamente dicha, la cual tiene un orificio de pasaje de un pistón, aguja o diafragma, destinada a obturar o no el pasaje del gas combustible.
La válvula es abierta o cerrada por el movimiento del núcleo magnético, el cual es por del el solenoide la bobina de éste es energizada poratraído la acción dispositivocuando de control. El núcleo móvil que tiene libre movimiento se halla dentro de un tubo perfectamente estanco, que permite lograr una adecuada hermeticidad. Este tipo de válvulas es del tipo normalmente abierta o cerrada, no teniendo posiciones intermedias, O sea, son para abrir o ce rrar el pasaje de fluido, no sirviendo para regular el flujo circulante. Se establece que las líneas de alimentación de los pilotos y a los quemadores principales, deben contar con válvulas automáticas de cierre de gas de acción directa. Se define como válvula de acción directa cuando la acción de cgierre o apertura de la válvula, no depende del fluido controlado o as natural. De esa manera, la fuerza necesaria para provocar el cierre o apertura, según sea normalmente cerrada o abierta, depende de la acción de un resorte antagónico. Se observa en la figura que en la acción directa la apertura se produce en forma automática, por medio del núcleo del solenoide, que es solidario al obturador, dependiendo ello de que el solenoide esté energizado o no. Por razones de seguridad, se especifica que las válvulas automáticas de cierre deben ser normalmente cerradas, ante una falla del circuito eléctrico o en el suministro de gas.
171
Cuando la presión de trabajo de los quemadores es menor o igual a 0,160 kg/cm 2, pueden utiizarse válvulas servo asistidas del tipo a diafragma, las que deben bloquear el paso de gas independientemente de la existencia de presión aguas arriba de dicha válvula. La alimentación del servo, debe realizarse por una tercera vía del tipo todo o nada . En la Figura 8.14 se han indicado las características de este tipo de válvulas, que contienen, además, un microcontacto de válvula cerrada, que se exige bajos ciertas condiciones, de acuerdo a la carga térmica a desarrollar. Las válvulas automáticas de cierre deben instalarse en las líneas principales de cada quemador, según lo consignado en la planilla del fabricante. Figu ra 8.14 Válvula seroasistida a diafragma
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Las válvulas de venteo se instalan entre dos válvulas automáticas de cierre normalmente cerrada s (NC), y deben ser del tipo normalmente abierta (NA), de modo de permanecer abierta ante una falla del circuito eléctrico o del sistema de alimentación d el fluido. Estas válvulas deben ser perfectamente herméticas, debiendo tener un diámetro mínimo igual a 0,4 veces el diámetro de las válvulas automáticas de cierre principales. Pordiámetro otra parte, no deben serautomáticas menores dede19cierre mm (3/4”), salvosean que el de las válvulas principales más pequeños. Las cañerías de descarga de las válvulas automáticas de venteo deben llevarse a los cuatro vientos a una zona segura. Si el caño de venteo supera los 13 m de longitud total, es conveniente incrementar el diámetro a la salida de la válvula. A veces se unifican las cañerías de descarga de las válvulas de venteo, debiéndose verificar que la sección equivalente de la cañería única, sea igual o mayor que la suma de las áreas individuales. Válvulas manuales de cierre Siempre aguas arriba de cada equipo de combustión y próximo al mismo se debe instalar una válvula de bloqueo de cierre rápido y accionamiento manual (1/4 de vuelta). Se puede utilizar como válvula de bloqueo del artefacto, la de la subestación reguladora, cuando ésta esté instalada a una distancia máxima de 1,50 m del mismo. Se recomienda en instalaciones de gran magnitud, colocar una válvula de bloqueo de emergencia en el exterior de la sala, donde se instala el equipo. Por otra parte, cada línea de alimentación a los quemadores pilotos o principales, debe contar con una válvula de bloqueo de cierre rápido, instalada aguas arriba o abajo de las válvulas automáticas de cierre de gas y de regulación de operación.
173
VENTILACIÓN DE LOCALES En los locales donde se emplazan los quemadores deben preverse las condiciones adecuadas para asegurar un permanente suministro de aire exterior, para permitir una eficiente combustión del gas. Dichos locales, además, deben contar con una ventilación eficiente que impida la acumulación del gas en caso de ocurrir alguna pérdida. Esta ventilación debe ser preferentemente del tipo tiro natural, pudiendo contarse en caso de que ello no sea posible con sistemas de tiro forzado mediante ventiladores, con sistemas de enclavamientos que provoquen su puesta fuera de servicio en caso de fallas. En general, los medios para ventilar no deben crear en ningún caso una presión menor que la atmosférica a. la altura del plano del quemador, ni deben existir bajo ningún concepto corrientes de aire perjudiciales para el funcionamiento normal. Las aberturas para el ingreso del aire exterior deben contar con el área suficiente, de modo de permitir asegurar la adecuada cantidad de aire para la combustión, dentro de cualquier rango de funcionamiento del quemador. De no contarse con las instrucciones del fabricante del quemador, se debe disponer como mínimo de aberturas de aire exterior de un área de 0,2 m2 por cada 1.000.000 kcal/h. Por otra parte, deben cumplirse con los requerimientos particulares del Municipio que tenga jurisdicción en la zona de emplazamiento del establecimiento. 8.4 QUEMADOR Y LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN El volumen de la cámara de combustión (recinto donde se desarrolla la llama) depende del tipo de combustible y de las características del quemador. Utilizando gas como combustible, y par a una cám ara equipada con quemadores corrientes con premezcla previa de gas y aire, el volumen de la cámara d e combustión se c alcula por la fórmula: V = Q / Qv
174
siendo: V = volumen de la cámara en m 3 Q = potencia calorífica en termias por hora. Qv = carga volúmica (o tasa de combustión) en te/h por m3 de cámara. En el cuadro siguiente damos los valores de carga volumétrica admisible en una cámara de combustión para algunos tipos de quemadores, y diferentes valores de Qτ / Q para los valores medios del coeficiente K encontrados experimentalmente en ο
ο
τ / Q la relación entre la cantidad htotal ornos siendo Q de industriales, calor efectivamente desprendida por la combustión en el instante t y la canti dad total de calor que puede desprenderse por la combustión. Damos los valores de la carga volúmica (carga volúmica o carga específica) para valores de Q τ / Q de 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 y 0,9 en una cámara de combustión donde ésta no se realiza completamente ο
Para expresar algunos otros parámetros que vinculan el quemador y la cámara de combustión se utilizan las siguientes definiciones: •
Potencia térmica
Es la cantidad de calor en kcal/h que puede proporcionar un quemador. Su valor es el producto del caudal en m3/h del quemadorpuede utilizado por el caudal poder ocalorífico inferior del gas. También denominarse carga térmica. Según el valor de este producto, los quemadores pueden clasificarse, en primera aproximación, en: domésticos, cuando dicha cantidad de calor es inferior a 25 000 kcal/h; comerc iales, cuando la potencia está comprendida entre 25 000 y 150 000 kcal/h; industriales, cuando la potencia sobrepasa las 150 000 kcal/h. •
Carga volumétrica
Es la carga térmica por metro cúbico. Su valor es el cociente entre la potencia total suministrada por un quemador y el volumen de la cámara de combustión. Una carga térmica elevada requi ere un tipo de material refractario que resista la temperatura que unase cámara con mejor carga térmica baja,mejor en donde la radiación delalade llama distribuye y donde la temperatura de la cámara de combustión es más baja.
175
•
Potencia específica
Es el cociente entre la cantidad de calor en kcal/h suministrada por el quemador o potencia térmica, y la sección de los orificios de salida del mismo. Velocidad de propagación de la llama Es muy importante en el proyecto y fabricación de quemadores, ya que determina la posibilidad de desprendimiento de la llama de la boca del quemador o bien el retroceso de la misma. Para que la llama de un quemador de gas sea estable es preciso que la velocidad de salida del gas de la b oca del quemador no sea mayor ni menor que la velocidad de propagación de la llama, y este comprendida entre la velocidad de retroceso de la llama y la velocidad de desprendimiento de ésta. Modulación de un quemador Es la relación entre el c audaltérmicomáximoyelcaudaltérmico mínimo compatible con un funcionamiento correcto del quemador (estabilidad de la llama, ausencia de inquemados, etc). La modulación de ciertos quemadores puede alcanzar valores muy elevados ( 50 veces o más). Cuando se exigen características de llama parecidas variando el caudal, la modulación del quemador adquiere valores mucho más modestos (5 a 10, máx.). Impulsión La impulsión es la suma de dos términos: el caudal de la cantidad de movimiento y de la presión estática. Para un inyector (suponiendo la velocidad uniforme en la sección de salida), la expresión de la impulsión viene dada por: G = Qm Vs + (PS — PE) SS en la cual: Qm Vs PS PE SS G
176
caudal máximo del fluido (kg/s) velocidad del fluido en la sección de salid a del inyector (m/s) presión del fluido en la sección de salida del inyector (Pa) presión de entrada al inyector (Pa) sección de salida del inyector (m2) impulsión (N)
La impulsión tiene las dimensiones de una fuerza (Newton o kgf; 1 N = 0,102 kgf). La noción de impulsión se utiliza para ciertos quemadores de hornos, como pueden ser los hornos Martin para fusión de acero y para hornos de fusión de vidrio. Aplicándola no solamente al chorro de gas combustible, sino también a los productos de combustión, puede utilizársela en los quemadores túnel intensivos. 8.5
ADA PTACIÓN DE LOS QUEMADORES A LOS DISTINTOS GASES Y A LA MARCHA MIXTA CON FUELOIL
La adaptación de los quemadores a los distintos gases es sólo el aspecto práctico de la intercambiabilidad de gases. Dos gases se dice que son intercambiables cuando son susceptibles de dar el mismo flujo calorífico, posición y comportamiento de la llama, en un mismo quemador, sin modificar nada del mismo, ni variar la presión de alimentación. En el capítulo «Intercambiabilidad» hemos visto que dos gases son intercambiables cuando pertenecen a la misma «familia». Así, el gas natural no es intercambiable, es decir, no puede sustituir, sin modificación del quemador, a los gases manufacturados: gas ciudad, gas propano integral yygas de coquería, a los gases líquidos gas de pobre, petróleo: butano. Por el nicontrario, es intercambiable, con mezclas en las condiciones señaladas de intercambiabilidad, de gases manufacturados y de gases GLP, o con mezclas de GLP y aire: aire propanado o aire butanado. Pero así como el estudio de intercambiabilidad tiene por objetivo definir las características de los gases susceptibles de ser utilizados indistintamente en un quemador determinado, el estudio de la adaptación de un quemador funcionando con un gas de diferente familia a su funcionamiento con gas natural, tiene por objeto determinar las condiciones de sustitución en un equipo determinado. A continuación analizamos las características tecnológicas de diferentes tipos de quemadores.
177
8.5.1 Quemador es con mezcla previ a a)
Inducción d el aire por el gas
En los quemadores de este tipo, llamados corrientemente quemadores atmosféricos, no es posible sustituir los diferentes gases combustibles con los que funcionan por gas natural, sin modificar los inyectores y las presiones, a fin de mantener el mismo flujo o caudal calorífico. Recordemos al respecto que el caudal de un inyector viene dado por la fórmula: Q = 0,73 x m x s x [ p/d x (1//(273 + t)) ] 0,5 en la cual: Q = caudal en m3/h s = sección del orificio en mm2 p = presión del gas antes del orificio en mbar o en cm de columna de agua d = densidad del gas t = temperatura en °C m = coeficiente que varía con la forma del orificio y la naturaleza del gas. Normalmente se toma: m 0,65 para pared delgada m= 0,80 paraorificio orificioencilíndrico m = 0,90 para orificio cónico. El caudal calorífico vendrá determinado multiplicando el caudal en m3/h por el poder calorífico del gas. Para mantener el mismo caudal calorífico en un quemador, sustituyendo un gas por otro, habrá pues que modificar en los quemadores de este tipo la sección del orificio o la presión del gas, o ambos a la vez. La relación aire/gas en los quemadores atmosféricos viene dada por la fórmula: R = n x (S x d /s) 0,5
178
en la cual: S = sección del cuello de la trompa s = sección del inyector d = densidad del gas n = coeficiente comprendido entre 0,6 y 1 R = relación aire-gas. b) Inducción d el gas por el aire A caudal calorífico determinado, el caudal de aire es prác ticamentenoconstante queen sea el gas. Por consiguiente, habrá que cualquiera modificar nada el inyector de aire: ni s ección, ni presión, y sólo modificar las secciones de inducción del gas a fin de mantener el caudal calorífico. La relación aire/gas será en estos quemadores: R = (1 + d) / (S/s-1) teniendo las letras la misma significación anterior. Las fórmulas expuestas permiten calcular las nuevas dimensiones características de un quemador de inducción teniendo en cuenta las características del gas al cual debe adaptarse. 8.5.2 Quemadores sin mezcla previa Puede decirse que los quemadores de este tipo, que representan la gran mayoría de los quemadores prácticamente adaptables a todos los gases, industriales, sin necesidad son de ninguna modificación. Bas tará regular as l proporciones de aire y gas, lo que se hace fácilmente variando los caudales o las presiones. Dado que los parámetros relativos al aire quedan fijos para un caudal calorífico constante, es decir, que para un mismo caudal calorífico la cantidad de aire necesario para la combustión es constante, independientemente del poder calorífico del gas, no será preciso modificar ni la presión ni el caudal de aire, y bastará ajustar el caudal de gas mediante una válvula. Ahora bien, como al cambiar de gas debe mantenerse el mismo caudal calorífico para un orificio determinado, cuanto mayor sea el poder calorífico del gas, menor deberá ser su caudal volumétrico: pero la velocidad de salida varía igualmente en sentido inverso al poder calorífico del gas, mientras la velocidad de propagación de la llama varía también en sentido inverso al aumento de poder calorífico; por consiguiente, ambas velocidades, la de salida de gas y la de propagación de lalos llama, quedan de compensadas y no se producen en el quemador fenómenos desprendimiento de llama, ni de propagación al interior del quemador, aunque se varíe el tipo de gas empleado.
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Respecto a la adaptación de los quemadores de gas natural a la marcha mixta gas-fuel-oil, todos los quemadores industriales del tipo de alimentación separada en aire y gas, es decir, sin premezcla, se prestan pe rfectamente aello. En efecto, siendo los caudales de aire sensiblem ente los mismos, para caudal calorífico constante, tanto si se consume gas como fuel-oil, la parte del equipo relativo a la alimentación de aire a los quemadores sirve igualmente para uno u otro combustible. Bastará disponer en cada quemador de dos sistemas de alimentación en combustible, uno para el gas y el otro para el fuel-oil. Esta disposición se encuentra ya en gran número de quemadores industriales diferentes tipos,sea y esalternativa, fácil de adaptar en otros, por lo que de podrá utilizarse sea simultáneamente. Aunque sea necesario escoger para los parámetros de regulación de aire (exceso de aire en cada caso) valores medios de los que representarían las condiciones óptimas de funcionamiento para cada fluido utilizado separadamente, la media adoptada es satisfactoria en la práctica, y no representa en relación a la marcha con un solo combustible más que una pérdida aceptable de rendimiento. 8.6
QUEMADORES MIXTOS O MULTICOMBUSTIBL ES
Los quemadores multicombustibles o mixtos son los que funcionan con varios combustibles simultáneos o alternativamente. a natural tratar aquí solamente los quemadores mixtosVamos de gas y fuel-oil, aunquedesean posibles también los quemadores mixtos gas natural-carbón pulverizado. La utilización de gas natural y fuel-oil ofrece las siguientes posibilidades: a) La combustión simultánea de fuel-oil y gas es una solución sencilla para obtener una llama lumino sa radiante, la cual se obtendría difícilmente con los gases naturales europeos y los que se importan líquidos del exterior, a causa de su débil proporción de hidrocarburos no saturados. Basta una proporción limitada de fuel-oil para elevar el factor de emisión global de la llama. Los quemadores mixtos, quemando conjuntamente los dos combustibles, enc uentran aplicación en hornos de alta temperatura, en los cuales la transmisión de calor por radiación es preponderante (horno Martin de acererías, horno balsa de vidrierías, hornos rotativos de cocción de clínker en fábricas de cemento). Señalemos, no obstante, que existen quemadores utilizando solamente gas natural parcialmente craquizado, que permiten calentar eficazmente dichos equipos.
180
b) La combustión de una débil proporción de gas con fuel-oil puede permitir mejorar la combustión de este último, especialmente en el caso del fuel-oil pesado, difícil de quemar bien en ciertos equipos. Este principio está llamado a encontrar aplicaciones a medida que se desarrolle la lucha contra la polución atmosférica. Actualmente se realizan ensayos para pulverizar el fuel-oil con gas a presión, pero no se ha llegado todavía a la realización a escala industrial. c) La combustión simultánea o alterna de gas y fuel-oil se utiliza, independientemente de toda consideración cuando se desea, por motivos económicos, hacer quetécnica, el caudal de gas sea independiente de las variaciones de carga térmica del aparato u horno donde se emplea. Es decir, que el caudal sea constante y las modulaciones de la carga repercutan únicamente sobre el caudal del fuel-oil. También, por motivos económicos o de seguridad, se desea a veces funcionar alternativamente todo a gas o todo a fuel-oil. En ambos casos pueden obtenerse tarifas de gas muy ventajosas, por tener un consumo constante de gas durante todo el día o por tener un servicio interrumpible horario o estacional. El cambio total de combustible requiere, en ciertos tipos de quemadores, un desmontaje rápido con sustitución de piezas intercambiables o la simple manipulación de dos válvulas. Los quemadores mixtos son, casi siempre, sin mezcla previa de aire y gas. Figur a 8.15 Quemador mixto gas y fuel oil
181
Figu ra 8.16 Vista e n sección d e un quema dor mi xto fuel oil y gas rotativo Ray
Las figuras 8.15 y 8.16 ilustran sobre tipos de quemadores mixtos no simultáneos, y simultáneos gas-fuel-oil. En la figu ra 8.17 se muestran la cabeza de un horno Martin, con un tipo especial de quemador mixto gas-fuel-oil, donde el quemador y especialmente la boca del mismo está refrigerada por agua.
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Figu ra 8.17 Horno de acero Ma rtin, equipado de quemador mixto gas
fuel oil y
En los quemadores de gas solo, deben introducirse algunas modificaciones: •
El encendido eléctrico debe hacerse obligatoriamente por chispa entre dos electrodos aislados, necesitando una tensión más elevada.
•
La detección de llama se hace bien por electrodo de ionización durante el funcionamiento a gas y célula sensible al infrarrojo durante el funcionamiento de fuel-oil, bien por célula sensible a los rayos ultravioleta para los dos combustibles.
Finalmente, existen quemadores mixtos especiales, montados en grandes unidades de quemadores de vapor, en la industria o en las centrales térmicas de electricidad.
183
La combustión se realiza en grandes cámaras de combustión con sobrepresión, alimentándose con aire total a presión distribuido por una caja envolviendo todo un panel de la cámara. La inyección del fuel-oil es siempre central. La inyección de gas puede ser igualmente central si la marcha no es nunca simultánea con los dos combustibles. Si la marcha es alternativa, los chorro de gas deben estar bastante alejados del chorro de fuel-oil pulverizado, de forma que éste reciba siempre suficiente aire de combustión. Esto se logra con varios tipos de inyectores de gas: multidedos, corona, lanzas, etc. Las Figuras 8.18, 8.19 y 8.20 corresponden a quemadores mixtos con inyección central de combustible líquido y sistemas de director» subdivisión de gas «multidedos», «multilanzas» o de «doble (obuses). La particularidad común a estos quemadores es su adaptabilidad a la combustión de solo gas natural, solo fuel-oil o simultáneamente ambos combustibles. Se distinguen por estar diseñados para producir una gran turbulencia en el aire de combustión. El quemador multilanzas tiene la ventaja de permitir desmontar las lanzas de combustión del gas sin tener que parar el equipo que sigue funcionando con el otro combustible. Figu ra 8.18 Quemador mixto con s istema de ga s multi dedos Pillard
184
Figu ra 8.19 Quemador mixto con sistema de gas multilanza s Pillard
Figu ra 8.20 Quemador mixto gas fuel oil con sistema de ga s dob le director Pillard
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Figu ra 8.21 Quemador mixto con p ulveriza ción r otativa centra l del fuel oil y bu ses de gas e n anillo tóri co Ra y
La 8.20 corresponde a otro modelo mixto,y configura pulverización rotativa del fuel-oil en de su quemador parte central múltiples buses de gas en un anillo tórico.
186
Finalmente, el quemador de flujo paralelo (fig. 8.21 ) está destinado a los equipos de combustión de generadores de vapor con varios quemadores. En dichos quemadores la estabilización de llama se consigue por realizarse la combustión en «tres etapas» (fig . 8.22), en zonas de reacciones sucesivas. Figur a 8.22 Quemador mixto c ombusti ble lí quido y gas de flujo parale lo Pillard
187
8.7 ELECCIÓN DEL TIPO DE QUEMADOR Determinar el quemador adecuado para equipar un horno o aparato térmico es una operación delicada e importante. La experiencia ha demostrado con demasiada frecuencia la inadaptación de uno al otro, que se traduce generalmente en una disminución de resultados. Por un lado, las características de combustión tienen una influencia directa en los intercambios térmicos con el recinto y bóveda del horno y con los productos a tratar. Por otro lado, las dimensiones de la llama son un factor importante de la isotermia de la carga, a cuya desigualdad son imputables una parte importante de los defectos de cocción de ciertos productos. Afortunadamente, cuando se trata de equipar nuevas instalaciones, estos problemas han sido ya resueltos por los constructores de los hornos o aparatos, que se han preocupado, con todo conocimiento de causa, de adoptar los quemadores más apropiados a su función.
Figu ra 8.23 Esquema de una combustión de tres etapas
188
Cuando se trata de convertir hornos existentes, que funcionan con carbón o fuel-oil, al funcionamiento con gas natural, recomendamos acudir siempre al constructor del horno para pedir su consejo. Si ello no fuera posible, deberá estudiarse minuciosamente el tipo de quemador de gas cuyas características de combustión y de llama se aproximen lo máximo posible a las de su funcionamiento actual. Tras ello, es relativamente fácil obtener unos resultados óptimos, eligiendo juiciosamente los nuevos quemadores o transformando a gas los quemadores de fuel-oil existentes (cuando ello es posible), modificando incluso, si es preciso, su emplazamiento. A fin de facilitar este trabajo, hemos resumido, en el cuadro al final de este capítulo, las principales características de los quemadores y las principales aplicaciones de losmismos.
189
CAPITULO
IX
Gas Natu ral en Calderos Industriales
9.1
CALDEROS INDUSTRIALES
9.1.1 Defini cio nes Básicas En su concepción más simple, los calderos son equipos diseñados para transferir calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluído determinado. Existen una gran variedad de calderos; el más simple podría ser concebido como el sencillo hervidor de agua casero, existiendo en etermoeléctrica l otro extremo gigantescos calderos operados por computadora.
para
generación
El primer caldero de vapor utilizado que se muestra en laFigura 9.1 representaba una verdadera olla de vapor con aporte de calor generado por la combustión de carbón y control de salida del vapor mediante una válvula de cierre. Las necesidades de disponer gradualmente de fluídos (agua caliente, vapor, aceite térmico) con características cada vez más exigentes de presión y temperatura, determinaron que los calderos se vayan tornando cada vez más complejos, hasta llegar a los modernos sistemas de generación de vapor a presiones críticas y supercríticas para generación eléctrica. Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado, vapor sobrecalentado o calentar aceite térmico. Los calderos, exceptuando los eléctricos, tienen 6 partes básicas: •
Quemador: Aporta el combustible y el aire de combustión (comburente), los mezcla y produce la combustión. Sus características dependen del combustible, debiendo dispone de r los mecanismos de regulación que permitan formar una llama adecuada al hogar o cámara de combustión.
•
Cámara de Combustión: También llamado hogar , es el espacio donde se aloja la llama, es decir, se produce la combustión y se transfiere calor por radiación.
•
Sección de Convección: Zona donde se transfiere el calor de los gases de combustión al fluído a través de las superficies de calefacción (tubos).
•
Chimenea: Por donde sealeliminan los gases regular de combustión después de transferir calor fluído, permitiendo el tiro.
195
•
Ventiladores de Aire: Proporcionan el aire de combustión y lo impulsan a través del caldero. En equipos grandes, puede requerirse un ventilador exhaustor para tiro inducido.
•
Instrumenta ciones y Controles:Permiten efectuar la operación con la mayor seguridad y alcanzar mayores niveles de eficiencia. Figura 9.1 Primera Caldera de Vapor
9.2 DESIGNACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LOS CALDEROS La cantidad de vapor requerida para producir en determinadas máquinas un horse power de potencia, dió lugar a la expresión de la capacidad de los calderos enhp. Un hp es equivalente, en tales términos, a 34,5 libras de vapor por hora, producido desde agua a 100°C hasta vapor a la misma temperatura o aproximadamente 33.475 BTU/hr, considerando que el calor de vaporización es de 970,3 BTU/lb. Los calderos antiguos podían evaporar esta cantidad de agua con 2
aproximadamente 10 de pieslosdecalderos área defueron transferencia de calor, por lo cual las potencias expresadas en boiler horse power (bhp), siendo tales los pies2 de área de transferencia de calor divididos entre 10.
196
Actualmente estos términos no resultan teóricamente correctos, ya que no existe una relación directa entre la cantidad de vapor producida y la requerida para generar un horse power y tampoco con el área de transferencia empleada; sin embargo, particularmente en el caso de los calderos pirotubulares, la expresión de la capacidad de los calderos en hp o Bhp, utilizada por los propios fabricantes y usuarios en la práctica industrial, debe tomarse en cuenta, considerando que un hp o bhp resulta equivalente a una producción de 34,5 lb/hr de vapor a 100°C, a partir de agua a la misma temperatura. Puesto que los generadores de vapor operan a condiciones distintas, e l flujo de vapor debe ser corregido considerando la temperatura del agua de alimentación y la presión de vapor saturado. Tal corrección puede se rrealizadautilizandolasiguiente fórmula:
(34,5)(bhp)(970,3) W = -------------------- = (34,5) (bhp)(C.F.) (h g - hf) Donde
:
W
:
Flujo de vapor (lb/hr)
Bhp
:
Boiler horse power = 33.475 BTU/hr
hg hf C.F.
:
Entalpía de vapor saturado a pres ión absoluta, BTU/lb
:
Entalpía del agua de alimentación a las condiciones de operación, BTU/lb :
970,3/(hg-hf)
Enom l ograma de la Figura 9.2 permite cálculo un rápidodeésta fórmula: La capacidad de las grandes unidades de centralestermoeléctricas se suele expresar en megawatts (MW) , en referencia a la máxima capacidad de energía eléctrica que resulta posible generar con la producción de vapor que ingresaalasturbinas.
197
Un sistema que se orienta a uniformizar las diferentes formas de expresar la capacidad de calderos, recomienda referirse a la capacidad máxima de transferencia de calor en el sistema, expresada en las unidades adoptadas por el Sistema Internacional (SI), es decir, Joules/ hr . Figura 9.2 Nomogr ama para el cálcul o de potencia del caldero
La práctica moderna es describir a los calderos industriales en términos de su máxima producción de vaporlb/hr , kg/hr o TM/hr para condiciones determinadas de presión y temperatura. Siendo práctica usual expresar la capacidad de calderos pirotubulares en Bhp. La equivalencia de 34,5 lb/Bhp resulta útil y válida.
198
9.3 CLASIFICACIÓN DE LOS CALDEROS Los calderos se clasifican según diferentes criterios relacionados con la disposición de los fluídos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo de operación y parámetros exteriores al caldero ligados a la implementación, ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales. a)
Por la disposición de los fluídos: -
b)
De tubos de agua (acuotubulares). De tubos de humo (pirotubulares).
Por la circulación de agua: - De circulación natural. - De circulación asistida. - De circulación forzada.
c)
Por el mecanismo de transmisión de calor: - De convección. - De radiación. - De radiación y convección.
d)
Por el combustible empleado: - De carbón mineral (parrilla mecánica o carbón pulverizado). - De combustibles líquidos. - De combustibles gaseosos. - De combustibles especiales (leña, bagazo, etc). - De recuperación de calor de gases (con o sin combustión de apoyo). - Mixtos. - Nucleares
e)
Por la presión de trabajo: - Subcríticos. De baja presión p < 20 Kg/cm2. De media presión 20 > p > 64 Kg/cm2. De alta presión p > 64 Kg/cm2. - Supercríticos.
199
f) Por el tiro: - De tiro natural. - De tiro forzado. - De tiro inducido. 9.4 PRESIÓN Y TEMPERATURA DE TRABAJO Desde el punto de vista de la elección de la presión más conveniente para un caldero, podemos clasificar a éstos en tres grandes grupos: a) Calderos destinados a suministrar vapor saturado para procesos de calefacción. b) Generadores de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión y aprovechar el vapor de salida, después de saturarlo, para procesos de calefacción. c) Generadores de vapor recalentado para la producción de energía eléctrica en turbinas de condensación. La elección de la presión del grupo (a) es inmediata, cuando lo que se requiere es vapor para calentamiento. Como agente de calefacción se utiliza vapor saturado, ya que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y su coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño. Puesto que un buen intercambiador de calor calienta un fluído a una temperatura aproximada de 10°C a 15°C por debajo de la temperatura del vapor calefactor, partiendo de la temperatura necesaria en el fluído a calentar se deducirá la temperatura requerida en el vapor a la salida del caldero, tomando en cuenta las pérdidas de calor en el transporte. Por medio de las tablas Presión-Temperatura, que se presentanalfinaldeesteartículo,se determina la presión a la cual se tendrá que producir el vapor saturado, para alcanzar la temperatura adecuada. El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta temperaturas de unos 200°C aproximadamente, lo que supone presiones del orden de unas 18 atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele ser prohibitiva por ser necesarios tuberías y aparatos muy robustos; en estos casos se utilizan fluídos portacalóricos y aceites térmicos.
200
La Figur a 9.3 muestra los límites de utilización de algunos tipos de calderos:
9.5 CRITERIOS PRÁCTICOS DE SELECCIÓN DE CALDEROS La gran variedad de tipos de calderos existentes y las múltiples posibilidades de conformación de los equipos que integran un sistema de generación de vapor podrían hacer aparecer como algo muy complejo la selección de un determinado caldero para atender un requerimiento industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de fluídos térmicos. En el caso de calderos pirotubulares, la selección de equipos de uno, dos, tres o cuatro pasos obedece a criterios técnicos y económicos. Mientras mayor sea el número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los equipos serán más caros.
201
En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrán ser tipo paquete, pero a partir de cierto límite, variable para cada caso, resultará conveniente montarlos en planta. La decisión respecto a la instalación de economizadores y recuperadores de calor obedece igualmente a criterios de factibilidad técnica y conveniencia económica, en función de la capacidad de producción de vapor de los calderos y sus presiones de operación. Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la práctica industrial se llama economizador al sistema que permite apro vechar el calor dedelos gases de combustión apara precalentamiento del agua alimentación yrecuperadores los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustión. En la Figura 9.4 se establece algunos rangos que podrían servir como criterios de orientación, respecto a los tipos de calderos y la conveniencia de utilización de economizadores y recuperadores, en función de la capacidad de producción de vapor y la presión de operación. 9.6 USO DEL GAS NATURAL EN CALDEROS DE VAPOR Aunque la elección del combustible utilizado en un generador de vapor no tenga influencia técnica sobre la producción, su incidencia sobre numerosos factores puede variar muy sensiblemente de un combustible a otro. A este respecto, las ventajas específicas del gas le colocan en una situación favorable. Estas ventajas se derivan de las características del gas, especialmente de su estado físico, de su pureza y, de una manera particular, de la constancia de su composición y de la ausencia de azufre. Dichas ventajas, respecto a los combustibles sólidos y líquidos, son las siguientes: •
Ausencia de almacenamiento del combustible en el exterior o interior de la sala de calderas.
•
No hay formación de cenizas de ninguna forma: sólidas, liquidas, fundidas (escorias) o volantes. Todos los dispositivos de recuperación (tolvas, ceniceros, registros, etc.) y de evacuación pueden suprimirse, especialmente los separadores de polvo, tan importantes y tan numerosos en las grandes cgentrales modernas de carbónlapulverizado. as no poluciona ni contamina atmósfera. La combustión del
202
•
No hay deposición ni formación de depósitos adherentes en < las superficies de intercambio de calor de la caldera, mejorando la transmisión de calor de las partes metálicas y no aumentando la resistencia del circuito de gases.
•
El caudal de combustible, fácilmente medible, permite una regulación sencilla del aire de combustión en función de aquel.
•
La mezcla aire/gas puede realizarse íntimamente con un débil exceso de aire, asegurando una combustión completa y mejorando el rendimiento térmico.
•
Siendo la proporción de azufre prácticamente nula, no tienen que existir corrosiones en la parte final de la caldera, especialmente en los economizadores o recuperadores de aire, los ventiladores de tiro forzado y los conductos de unión. La temperatura de los humos puede disminuirse sin temor. Figura 9.4
203
La incidencia del empleo del gas sobre otros factores se dejará sentir en: a) La construcción Las dimensiones de las cámaras de combustión de las calderas pueden reducirse con resp ecto a las dimensiones corrientes de éstas, utilizando carbón. La perfecta mezcla de aire/gas y la rápida combustión de éste, permite aumentar la carga térmica específica. La infraestructura de recolección de las cenizas y escorias puede suprimirse. Desde luego, queda suprimida la parrilla todos losdeelem entos de manutención mecánica. Las y cámaras combustión, empleando gas natural como combustible, permitirán cargas térmicas específicas comprendidas entre 0,5 x 106 y 1,5 x 106 kcal m3/h que, referidas a la sección transversal de la cámara, deben permanecer dentro de los límite s de 450 000 a 900 000 kcal/m 2/h. b) El funcionamiento El rendimiento térmico puede mejorarse como mínimo, de tres a cinco puntos (según el combustible que sustituía puede llegar a 8%) gracias a la posibilidad de realizar y mantener la proporción aire-gas a diferentes marchas, con un exceso mínimo de aire del orden del 10 al 20 W cuando con fuel-oil no puede bajarse del 20 al 30 % y con el carbón del 40 al 50. Igualmente existe posibilidad de reducir la temperatura de los humos a la salida de los quemadores, sin riesgo partes instalación debido de a lacorrosión ausenciaendelas azufre en finales el gas ydedela SO2 en los productos de combustión. La constancia en la composición de los humos para distintas cargas de la caldera (demandas de vapor), permite que los rendimientos industriales de explotación alcancen valores próximos a los rendimientos teóricos o de prueba. c) La regulación El empleo del gas natural facilita la utilización de dispositivos de regulación y de mando automático, manteniendo constante la presión de vapor y la mezcla aire-gas del quemador, siguiendo las variaciones de las demandas de vapor. d) El mantenimiento Los quemadores de gas no necesitan prácticamente ningún mantenimiento, permaneciendo goteos y los de polvo los frentes de la calderasiempre d onde libre van de colocados quemadores. Las superficies de transmisión de calor de las calderas permanecen siempre limpias.
204
e) Las inversiones El gas natural permite la supresión de los parques de almacenamiento del carbón o de los tanques de almacenamiento de los combustibles líquidos, así como de todos los dispositivos de alimentación y trasiego de combustible y evacuación de cenizas. Tampoco son necesarios dispositivos para suprimir o reducir los riesgos de contaminación atmosférica. Con el gas natural se suprime el riesgo de eventuales indemnizaciones por daños a los vecinos o a la agricultura. La producción de vapor utilizando gas como combustible, especialmente en las industrias que necesitan el gas natural para otros menesteres, es cada día mayor. En muchos casos regulariza el consumo de gas cuando en otras dependencias la marcha de los ap aratos es intermitente y el aumento de consumo permite obtener precios más bajos en los contratos de suministro. La transformación de las calderas no presenta, en general, dificultades, reduciéndose al montaje del equipo de quemadores y órganos de seguridad y regulación, sin que la estructura de la caldera, en sí misma, sufra modificación alguna. 9.7 EQUIPOS PARA CAL DEROS INDUSTRIAL ES El material necesario para la utilización del gas natural en un generador de vapor comprende: • Quemadores, • Dispositivos de regulación, • Sistemas de seguridad. Qu emador es a gas n atural Los calderos de hogar in terior o pirotubulares y los acuotubulares modernos tienen la cámara de combustión recubierta con paredes o tubos de agua. Son, por consiguiente, hogares fríos cuyas paredes están a una temperatura sensiblemente inferior a la de inflamabilidad del gas. Esta característica de construcción tiene una consecuencia importante en lo que se refiere a las características de construcción de los quemadores. Estos deben cumplir, especialmente, las exigencias siguientes:
205
a) Asegurar una mezcla homogénea y suficientemente rápida de aire de manera que la combustión se mantenga perfecta y terminada en la cámara de combustión antes de todo contacto con las paredes, cuya baja temperatura detendría la combustión, con riesgo de obtener inquemados (disminución de rendimiento) y posibilidad de formación de mezclas combustibles en el circuito de humo s; b) asegurar, a cualquier régimen, que se mantenga con stante la proporción de mezcla aire-gas próxima a la relación estequiométrica, en todo caso, dentro de los límites de inflamabilidad con un amplio margen de seguridad; c) asegurar una velocidad de salida de la llama del quemador inferior a la velocidad de propagación de la llama, para evitar el desprendimiento de ésta de la boca del quemador, especialmente durante el período de encendido. d) permitir ajustar el volumen y la longitud de la llama en función de las dimensiones de la cámara de combustión, a fin de asegurar que aquella llene completamente la cámara, evitando siempre los puntos de impacto con las paredes. En grandes calderas con cámaras de dimensiones importantes, es preferible colocar varios quemadores en lugar de uno solo de mayor caudal; e) permitir la obtención de una llama luminosa que favorezca el intercambio de calor, particularmente en las calderas a radiación. El número de quemadores depende, esencialmente, de la potencia del caldero. En general, para calderas de producción inferior a 20 t/t se coloca un solo quemador; para calderas de producción de 20 a 50 t/h se colocan dos quemadores; para producciones superiores, se colocan cuatro o más quemadores. Dis positiv os de re gulación Aunque la construcción de algunos órganos de control, de regulación y de marcha automática tiene alguna particularidad, en la utilización de gas los principios generales son los mismos que para otros combustibles (especialmente para los combustibles líquidos) y su aplicación n o entraña ningún problema particular: por el contrario, la limpieza de gas y de los productos de la de combustión son factores favorables para el buen funcionamiento dichos dispositivos.
206
La elección del tipo y programa de control y de regulación será, en cada caso, objeto de estudio. En el mercado existen todos los tipos de materiales que permiten revolver el problema, desde el más sencillo al más complicado. Órg anos de seguridad La seguridad merece ser estudiada cuidadosamente, por una parte en razón de su gran importancia, por otra, en razón de las exigencias particulares de empleo de un combustible gaseoso. Teóricamente, es más fácil obtener una mezcla perfecta y rápida entr el gas ymás el aire comburente por otra puede aproeximarse o menos a las —que, condiciones de parte, una mezcla explosiva— pero también es cierto que el gas se presta más fácilmente (debido a su facilidad de manipulación) a la adaptación de dispositivos que permiten, precisamente, prevenir la realización de tales condiciones. El conjunto de órganos de seguridad debe satisfacer a una triple exigencia: •
impedir toda introducción de gas en un recinto de combustión sin que hayan sido accionados previamente los dispositivos de encendido y de que se hay a controlado el funcionamiento correcto de éstos;
•
impedir toda introducción de una mezcla gas y aire en proporciones tales que la combustión de esa mezcla no pueda
•
hacerse correctamente; asegurar la interrupción rápida de la alimentación de gas, en caso de extinción imprevista de uno u otro quemador.
Para respetar estas tres condiciones, es necesario que, en todo momento, se pueda accionar y controlar: • • • • •
el caudal de gas, la presión del gas, el caudal de aire, la relación gas-aire, el tiro.
Estos elementos se regulan, en general, para el conjunto del equipo: seria deseable, sin embargo que, a excepción del último, pudieran regularse para cada uno de los quemadores. Las operaciones de encendido, tanto manuales, semiautomáticas o automáticas, consisten en:
207
•
• • • •
Asegurar un barrido eficaz con aire de la cámara de combustión y de los conductos posteriores durante un tiempo suficiente, a precisar en las consignas, a fin de que no haya vestigios de gas en los mismos (cierre defectuoso de la válvula de gas); Encender el piloto o quemador de encendido y comprobar que la llama se mantiene estable; Regular la entrada de aire y después abrir el gas; Asegurarse del buen funcionamiento del quemador; En instalaciones equipadas con varios quemadores, efectuar su encendido sucesivamente.
La comprobación de encendido y mantenimiento de la llama en cada quemador se asegura mediante un dispositivo de «control de llama», que no debe intervenir más que a título de seguridad complementaria en caso de incidente. Se utilizan principalmente dos soluciones: •
La ionización de la llama que asegura la detección por medio de electrodos sometidos a una diferencia de tensión que puede ser continua o alterna, actuando entonces por rectificación de la tensión alterna. Los electrodos deben colocarse en la llama piloto, si existe, o en su defecto, en la llama principal, y su posición debe elegirse cuidadosamente. La elección de electrodos de masa, de longitud apropiada, evitará la colocación de dispositivos de seguridad por simple desprendimiento de la llama de la boca del quemador, cuya intervención no exagerado; tendrá lugar más que en caso de un desprendimiento
•
La medición de las radiaciones emitidas por la llama, debido a una célula fotoeléctrica sensible a la radiación de los productos de la combustión. La posición y la orientación de dicha célula son importantes y deben escogerse juiciosamente. Ofrece la ventaja de poder montarse en el exterior de la cámara de combustión sin necesidad de tener ninguna parte en contacto con la llama.
En general, el riesgo consiste en la extinción eventual de la llama del quemador, seguido del derrame de la mezcla aire-gas sin encender en la cámara de combustión; ésta se hallaría entonces llena de una mezcla en proporciones explosivas, cuyo encendido podría provocar una deflagración.
208
La extinción inopinada de la llama puede tener dos causas: •
Variación o disminución intempestiva de la presión;
•
Desarreglo de la combustión, haciendo que la mezcla aire-gas en el quemador quede fuera de los límites de inflamabilidad (paro de corriente en el ventilador de aire o funcionamiento defectuoso de éste).
•
Los dispositivos de seguridad deben poder responder a estas dos situaciones y su acción debe traducirse en un corte total y rápido de normal la llegada de gashacerse a los quemadores. vuelta a la situación no puede más que porLaintervención manual.
•
La instalación más sencilla comprende pues:
•
Un dispositivo de control de la presión provocando el corte de la llegada de gas a los quemadores, para una variación del orden del 20 %.
•
Un dispositivo de control de la llama, accionando el corte del gas a los quemadores en caso de extinción. El rearme del órgano de corte de gas no podría efectuarse más que manualmente, de tal forma que no pueda volverse a encender hasta que la causa del cierre del gas se haya detectado y suprimido, y después de efe ctuar, en el orden que deban hacerse, todas las maniobras del encendido. El órgano de corte deberá también intervenir en caso de falta de corriente, que provocará el paro del ventilador de aire comburente y del ventilador de tiro. En estas condiciones, y realizando una comprobación periódica y frecuente del buen funcionamiento de los diferentes órganos de seguridad, cuya elección es tanto o más importante que la del quemador, la utilización de gas natural en las calderas ofrecerá todas las garantías necesarias. La Figura 9.5 representa un esquema completo de un equipo de seguridad para un caldero empleando gas natural.
209
9.8 CONVERSIÓN DE CALDEROS EXISTENTES A GAS NATURAL A medida que progresa la disponibilidad de gas natural en una región o una industria determinada, la renovación de los equipos se hace en función de dicho combustible, ya que son pocos los casos en que se abandona una vez adoptado y apreciado. En aquellos equipos y calderas que inicialmente empleaban otros combustibles y que, en una primera etapa, fueron adaptados al gas natural, se sustituyen, a medida que se requiere su renovación, por hornos y calderas concebidos y construidos para la utilización de dicho combustible. Figura 9.5 Esquema Completo d e Equi po d e Segurid ad en Ca ldero a Gas
Es indudable que los constructores que han adquirido una perfecta maestría sobre el gas natural pueden ofrecer instalaciones específicas que den plena satisfacción a los usuarios, tanto en resultados como en comodidad y seguridad. Sin embargo, la llegada de gas natural a nuevas zonas y regiones extensión de transporte y distribución, plantea lapor conversión de de las redes instalaciones existentes y, por ello, se ha considerado interesante señalar algunas peculiaridades:
210
9.8.1 Calderas constr uidas o e quipadas pa ra funcionar con fuel-oil El acondicionamiento de tales calderas es una operación sencilla y poco costosa: • No hay que efectuar ninguna modificación en la caldera en sí misma; • Todos los equipos auxiliares, ventiladores y órganos de regulación pueden conservarse. Concretamente, los c audales y las potencias absorbidas por los ventiladores de aire comburente tiro son ligeramente inferiorescon (disminución del exceso ydedeaire) a cuando funcionaban fuel-oil o carbón como combustible, ya que, teóricamente, la cantidad de aire necesaria para la combustión depende únicamente del calor desarrollado en el hogar (potencia de la caldera) y no del tipo de combustible; • Los quemadores de fuel-oil pueden conservarse; siempre es posible disponer los quemadores de gas alrededor de los inyectores de fuel. Pueden también sustituirse por quemadores mixtos gas-fuel. Es interesante conservar los quemadores de fuel, así como todos los dispositivos de alimentación cuando ya están instalados, puesto que permiten asegurar, en determinados casos, las variaciones de la carga a fin de mejorar la modulación en el consumo de gas; • Los dispositivos de control de llama por célula fotoeléctrica pueden eventualmente adaptarse a las características particulares de la llama de gas natural. 9.8.2 Calderas construidas o e quipadas pa ra funcionar con carbón La adaptación a gas natural de las calderas a carbón presenta problemas más complejos y conduce a inversiones relativamente más importantes. Por ello, en general, no resulta aceptable más que en quemadores de combustión moderna en buen estado. Dada la variedad de tipos existentes, no es posible establecer reglas precisas para las transformaciones a realizar y sobre los resultados a obtener. Es algo que compite al constructor de la caldera. No obstante, podemos dar ideas generales, en el caso de calderas con parrilla mecánica, que permitirán a los industriales darse una idea de la naturaleza e importancia relativa de su problema. La parrilla puede, en general, conservarse. En este caso es necesario protegerla, al pasar a la combustión de gas, por una solera de ladrillos refractarios colocada sobre la misma. La combustión mixta gas-carbón sobre parrilla es posible en algunos casos particulares.
211
La única condición que debe respetarse es que el volumen de la cámara de combustión sea suficiente. En las calderas de tubos de agua es necesario que la distancia de la solera a los primeros tubos que reciben el «golpe de fuego», sea suficiente. Esta condición exige, a la vez, la supresión de la parrilla mecánica. En la figura 9.6 se representa una caldera de 263 m2 de superficie de calefacción timbrada a 25 kg/cm2 con recalentador, parrilla mecáni ca, economizado ry chimenea de tiro mecánico, en la que s m e odificó su estructur a frontal al convertirla a gas natural suprim iend o la parrilla. En general, el incremento en el ren dimien to «calculado» puede alcanzar el 8 %, cifra largamente confirmad a por la experie ncia: Rendimiento gas natural:92% Rendimiento carbón: 85 % Una estimación paralela de las ventajas que se derivarán de la conversión permitirá establecer un balance comparativo de resultados, lo que facilitará estimar la oportunidad de la operación. Además de las ventajas enumeradas anteriormente, es preciso tener en cuenta las particulares motivadas por el cambio de combustible; ventajas que inciden sobre el pre cio de coste del vapor, y que relacionamos a continuación: • La vaporización máxima de la caldera se conserva o sobrepasa; • La ganancia de rend imiento ,calculado del ordendel8%,es superado largamente enclala práctica, debido a la posibil idad de un reglajeco rrecto de ombustión a cualquier régimen, prácticamente imposible de c onseguir con el carbón; Figura 9.6
212
•
La cantidad de aire necesaria y los humos de combustión se reducen en un 20%, lo que se traduce en una disminución de la potencia consumida por los ventiladores de aire y de tiro;
•
Los gastos de mantenimiento y de personal en aprovisionamiento de combustible y retirada de cenizas quedan suprimidos;
•
Los gastos de mano de obra para la marcha y conservación de la instalación pueden ser notablemente reducidos.
9.8.3 Funcio namiento mixto gas natural - fuel oil Las calderas construidas para utilizar gas natural no difieren, en su estructura general, de las construidas para quemar fuel-oil. Por este hecho, conservan la facultad de poder utilizar ambos combustibles en régimen mixto. Se comprende que esta posibilidad es recíproca. Esta facultad presenta un cierto número de ventajas de tipo económico. Principalmente •
Poder mantener con precisión un suministro de gas natural en condiciones económicas favorables, sin depender del factor carga;
•
Prever la utilización estacional;
•
Poder. suscribir de un funcionamiento, contrato en condiciones compatibles con los imperativos interrumpiéndose incluso el suministro, en contrapartida de lo cual puede obtenerse una reducción sensible en el precio del gas consumido.
Técnicamente, el funcionamiento mixto, sea alternativo o simultáneo, supone un compromiso entre los parámetros de regulación propios de cada combustible y, en consecuencia, entre las condiciones óptimas de marcha que podrían obtenerse con un único combustible. A pesar de ello, el compromiso que se adquiere es prácticamente satisfactorio y su incidencia sobre el rendimiento resulta despreciable frente a las ventajas que, en la mayoría de los casos, supone una marcha mixta gas natural-fueloil. Sin embargo, el funcionamiento mixto no puede ser tomado en consideración hasta después de haber establecido un balance exhaustivo decomporta. las consecuencias económicas, directas o indirectas, que
213
Ejemplo: A) Una fábrica de papel, produciendo 300 a 350 t/día de papel, destinado especialmente a la fabricación de sacos, transformó a gas natural una caldera moderna ALSTHOM prevista para la combustión de carbón, de las características siguientes: Capacidad : Variaciones de carga : Presión del vapor : Temperatura :: Temperatura de del recalentamiento economizador Temperatura de los humos : Caudal máximo de los quemadores: Consumo anual :
45 t de vapor/h 10 a 45 t vapor/h 75 a 110 kg/cm2 480 300 ºC ºC 120 - 145 ºC 440 m3/h 19 683 010 m3
Dicha caldera suministra el 25 % de las calorías necesarias a la fábrica, produciéndose el restante 75 % en otras calderas, quemando cortezas de pino. Quemadores: La caldera está provista, de 3 quemadores de gas de las características siguientes: Caudal máximo unitario Caudal mínimo unitario Presión del gas Presión del aire Gas utilizado
: : : : :
1 370 Nm 3/h 340 Nm3/h 0,035 a 0,500 kg/cm 60 150 a mm c.a. gas natural de poder calorífico superior, de 9000 kcal/m3 a 15 ºC, 750 mmHg.
Aire d e co mb us tión : El aire de combustión está suministrado por un ventilador centrífugo equipado en su orificio de aspiración con un dispositivo a palas orientables, permitiendo variar las cantidades de aire a suministrar a los quemadores. Dicho aire está pulsado a través de un cambiador de calor donde se recalienta a 150 ºC, distribuyéndose a esa temperatura a los quemadores. El aire se admite a cada quemador en la parte posterior del mismo por un registro compuesto de ouna especie de cilindro provisto de de turbulencia, palas que pueden abrirse cerrarse, maniobrando una palanca situada en el frontis del quemador.
214
Seguridad: La seguridad está constituida (ver fig. 89) por un detector de llama H, que mantiene abierta la válvula electromagnética (10) de alimentación del piloto de encendido acoplada a la válvula electromagnética (8) de seguridad de los quemadores. La válvula electroneumática (3) está accionada por los «presostatos» de gas (5), colocados a ambas partes de aquélla y por el «presostato» de aire colocado en el conducto de distribución de aire. Dicha válvula no abre el gas más que cuando la de entrada es la correcta (suficiente presión) y cierra(4) el gasp resión si se produce un exceso o una falta de presión. La válvula está destinada a evacuar el gas a la atmósfera cuando se cierra la válvula (3), a fin de impedir, por una parte, la subida de presión en la tubería de gas, si la válvula (3) no fuera hermética y, de otra parte, la entrada de gas a los quemadores si las válvulas de cierre colocadas en el circuito de alimentación de los quemadores no aseguraran una estanquidad absoluta cuando se cierran. Por otro lado, un enclavamiento eléctrico de seguridad no permite el funcionamiento del encendido más que cuando la válvula (7) de alimentación del quemador está cerrada. Encendido: El encendido solamente puede realizarse si se efectúan las operaciones siguientes: Accionar el contactor de barrido de la caldera, que pone en marcha los ventiladores de admisión de aire de combustión y de extracción de humos. Barrido de la caldera con aire durante 3 minutos. Accionamiento del contactor de encendido que provoca la formación de chispas. Abertura de la válvula electromagnética del piloto de encendido (10), desbloqueando automáticamente el enclavamiento eléctrico de seguridad. En ese momento se enciende el piloto, y el detector de llama H entra en funcionamiento, provocando la abertura de la válvula electroneumática del quemador. Abertura a mano de la válvula (7). Reapertura de los registros de turbulencia de aire a la posición determinada en los ensayos. La regulación de la admisión de aire se efectuará accionando los registro entrada des de aire del ventilador. Piloto de encendido: El piloto está compuesto de dos tubos concéntricos: el principal (interior), por el que circula una mezcla aire-gas que quema en el interior del tubo a unos centímetros de su extremidad; el otro, exterior al principal, conduce gas puro que asegura el alargamiento de la llama del piloto y garantiza su estabilidad.
215
En el interior del tubo principal se aloja el electrodo detector de llama que desemboca en la extremidad del piloto en el punto donde se efectúa la combustión. El dispositivo de encendido por chispa es exterior al piloto, y penetra solamente en el interior de aquél en el punto dond e se efectúa la combustión. La longitud de la llama del piloto es de 0,80 a 1 m. Regulación: Teniendo enlacuen ta las variaciones de del la demanda de vapor de instalación con tiemposimportantes de respuesta orden de 10 s, la regulación automática tu vo que ser estudiada meticulosamente. Se trataba, en efecto, de mantener la presión de vapor cualquiera que fuera la carga, y de ajustar el caudal de aired e combustión al caudal de gasintroducidoenelquemador. El funcionamiento del conjunto de regulaciones, cuyo detalle y mecanismo no vamos a describir, puede resumirse como sigue: •
•
Un aumento de demanda de vapor se traduce en una disminución de la p resión, lo que provoca inmediatamente un aumento de abertura de los álabes del ventilador de aire, con objeto de proporcionar el caudal de aire necesario a la nueva situación. Esta acción provoca igualmente un aumento instantáneo de abertura válvula de entrada de gas natural, proporcional al caudal de de la aire anterior.
•
En caso de una disminución de la carga se producen las operaciones inversas.
La regulación del tiro de la chimenea se ha mantenido igual al que tenía la caldera, antes de su conversión a gas, es decir, por una cadena de acción proporcional del registro de tiro. Gracias a la elasticidad de utilización, se ha podido equipar una caldera que debía hacer frente a variaciones importantes en el régimen de marcha de las instalaciones, en las mejores condiciones de rapidez, automatismo y seguridad, lo que hubiera sido difícilmente realizable con otro combustible que no fuera gas natural.
216
Aunque el tipo de tarifas aplicadas a los suministros de gas sea más favorable a los consumos regulares, la solución adoptada en la papelera citada ha permitido obtener una mejora sobre el conjunto de gastos de combustible, por el hecho de que las otras calderas han podido trabajar en condiciones óptimas de rendimiento y marcha regular, efectuándose la modulación de la carga mediante la caldera a gas. B) Una refinería de azúcar, tratando durante un año el azúcar bruto producido en 15 azucareras, con una capacidad de producción de 130,000 t/año, se equipó con una caldera a gas natural 30 t/h, paraa asegurar todos los serviciosa térmicos: jarabes decirculando temperaturas próximas 70 ºC; evaporación secados, etc., después de pasar el vapor por la central eléctrica para producir la energía eléctrica necesaria. La caldera es Babcock & Wilcox, tipo FML 16, timbrada a 32 kg/cm2 La presión a la salida del recalentador es de 26 kg/cm 2. El vapor está recalentado a 400 ºC. En marcha continua, la caldera asegura 28 t/h, con posibilidades de punta de 31 t durante 1 h. La caldera está equipada con dos quemadores de una potencia de 11,000 termias/h, funcionando a 400 mm c. a. El encendido de cada quemador se hace por antorcha. El control de llama se hace por célula fotoeléctrica sensible a los rayos ultravioleta. En la conducción de gas se instalaron: • • • •
•
Una válvula de cierre manual. Un diafragma de medición del caudal de gas que regula la toma de aire del ventilador de combustión. Una válvula de mando neumático de seguridad general. Un regulador de presión reduciendo la presión del gas a 400 milibarias (4 000 mm e. a.) y una válvula de seguridad para presión mínima de gas. Un grupo de seguridad con válvula manual y válvula neumática sobre la alimentación de cada quemador.
La regulación comprende: •
Una regulación del caudal de vapor a 25 kg/em efectivos, accionando: La regulación del caudal de gas (que actúa sobre el caudal de aire).
217
Una regulación de la alimentación de agua accionada por el caudal de vapor (medido a la salida de la caldera). Una regulación del recalentamiento, accionado por sondas termostáticas colocadas en la salida del vapor. El cuadro de control de la caldera, colocado con los relay y regulaciones en una cabina, registra: La presión del vapor. El caudal del vapor. El caudal de gas. El de aire. (vapor recalentado y humos). Lascaudal temperaturas El contenido en oxígeno de los humos. 9.9 CONVERSIÓN DE CALDEROS PIROTUBULARES AL USO DEL GAS NATURAL Los calderos pirotubulares son los equipos mas utilizados en la industria y constituyen un objetivo de sustitución total, cuando se incorpora el gas natural, a precios accesibles, como alternativa de suministro energético. Para analizar objetivamente la forma en que se plantean tradicionalmente los proyectos de sustitución en calderos pirotubulares podemos evaluar los resultados de la sustitución de petróleo diesel (ACPM) o residual (fuel oil o combustóleo) por gas na en las experiencias que se han vivido en los últimos años entural la mayoría de países latinoamericanos, aplicando tecnologías que consideramos equivocadas, que favorecen los intereses de los proveedores, pero afectan la rentabilidaddelosproyectosyla economía de los usuarios. En realidad, los proyectos han consistido básicamente en sustituir los quemadores que operaban con combustibles líquidos por quemadores duales y sus respectivos sistemas de control operativo, sin mayores modificaciones en el resto de los calderos (Figur a 9.7).
218
Figura 9.7 Caldero con Quemador es Duales
De esta forma se pierde un 5% de capacidad de producción y disminuye unos 2 o 3 puntos la eficiencia, debido a que aumenta el volumen de los gases y se reduce la emisividad de llama, disminuyendo en algo la transferencia de calor por radiación. Los beneficios económicos no han sido los esperados, no resultando los ahorros generados suficientes para pagar las fuertes inversiones en instalaciones y quemadores de alto costo instalados innecesariamente. El modelo de conversión que planteamos es totalmente diferente: •
•
En primer lugar, consideramos que la condición dual no tiene que mantenerse latente en el quemador, porque el suministro de gas resulta suficientemente seguro. Los quemadores solo deben cambiarse si se encuentran en mal estado; pero si son eficientes y se encuentran bien solamente deben modificarse, sustituyendo el atomizador de combustible liquido por un inyector de gas con suficiente impulso para controlar la forma de llama, por lo cual podrá retirarse el difusor. En los calderos pirotubulares el ventilador el tiro forzado que impulsa los gases hasta la base proporciona de la chimenea; al eliminar la caída de presión del difusor, el impulso permitirá mover más gases y quemar más combustible, aumentando la potencia térmica en el hogar.
219
•
La mayor velocidad y limpieza de los gases que se generan con gas natural permiten ubicar turbuladores en los 2 primeros pasos de tubos, aumentando la turbulencia y transferencia de calor por convección en el interior de los tubos. El diseño adecuado de los turbuladores permitirá colocarlos y retirarlos con facilidad cuando resulte necesario.
•
El sistema de control de funcionamie nto del quemador también podría cambiarse si es obsoleto y/o se encuentramal en estado;deloc ontrario solamente debe modificars eenlo mínimo que resulta presión, necesario: incorporar los dispositivos mínima y máxima variar los tiempos de barrido de y complementar la vigilancia de llama con una sonda de ionización.
•
Tomando en cuenta la limpieza de los gases y su bajo punto de rocío, debe instalarse siempre un economizador para incrementar la temperatura del agua de alimentación. Un incremento mayor a 20°C en la temperatura del agua de alimentación representa un ahorro promedio de US$ 5000/año, resultando justificada la inversión en una bomba de mayor capacidad, si resultase necesario.
•
La facilidad de combustión del gas natural y la conveniencia de favorecer la emisividad de llama, nos orientan a recomendar la regulación del nivel de exceso de aire en un 5% (1% de O 2 en los gases). En esta forma quedará totalmente del compensado el mayor requerimiento de aire de combustión gas natural respecto a otros combustible líquidos que deben trabajar con un mínimo de 20% de exceso de aire.
En la forma planteada los niveles de inversión resultan moderados y los ahorros generados, considerando un 30% de diferencial de precio respecto al petróleo residual, deben representar una optimización del 50% de los costos de cada tonelada de vapor producida con petróleo residual y más del 100% con cualquier otro combustible líquido. Para sustentar lo manifestado podemos analizar con mayor detalle los principales aspectos que deben enfocarse al plantear y ejecutar un proyecto de conversión;
220
9.9.1 Circui to de Combus tión Al realizarse la conversión de un caldero pirotubular diseñado y trabajando con combustibles líquidos (Figura 9.8 ) al empleo de gas natural podemos dividir el circuito de combustión en 5 componentes: suministro d e gas y aire, quemador, hogar, zona convectiva y chimenea. Analicemos que trabajos debemos realizar y como afecta la calor: onversión cada uno de estos 5 componentes del circuito de Figura 9.8 Caldero pirotu bular utilizando combustibl
es líquidos
9.9.1.1 Suminis tro de gas al quemador En la mayoría de plantas industriales se recibirá en el punto de acometida a 60 psi (4 bar), debiendo recepcionarse, regularse y contabilizarse en forma segura y adecuada en la Estación de Recepción, a partir de la cual se distribuirá a cada punto individual de consumo a la presión que corresponda. En el suministro individual a cada caldero siempre encontraremos los mismos elementos, para proporcionar el gas al quemador en las condiciones establecidas en normas y que cumplen los requerimientos del propio diseño y la con cepción operativa del quemador (Figura 9.9):
221
• • • • •
Válvula de cierre manual Regulador de presión Dispositivos de seguridad (presión máxima y mínima) Válvulas de flujo principal y de encendido (piloto / solenoide) Válvula de mariposa o leva modulada Figura 9.9 Elemento s exist entes en el quemador a Ga s
9.9.1.2 Sum inistro de a ire a l quema dor El ventilador que suministra el aire para la combustión en los calderos pirotubulares también proporciona el impulso que permite “empujar” los gases de combustión a través del caldero (tiro forzado). Al quemar combustibles líquidos, los cuales deben ser previamente atomizados en gotas y deben vaporizarse, craque ándose enformar fase líquida (20requiere – 30 µ) ouna en fase vapor para hollínpara (400formar – 500coque A°), se gran turbulencia y mezcla para conseguir combustión completa.
222
Para favorecer las condiciones de mezcla se instala un difusor que convierte la energía cinética del ventilador en impulso rotacional, para aprovechar al máximo el volumen útil del hogar. Al sustituir el combustible líquido por gas natural toda esta energía de atomización y mezcla resulta disponible (Figur a 9.10). Figu ra 9.10 Difusor del quemador
9.9.1.3 Conv ersión del Quemador El sistema que proponemos para sistemas pirotubulares considera la evaluación de las características de diseño y condiciones operativas de los quemadores existentes pudiendo definir 2 opciones: a) Si los quemadores son ineficientes y/o se encuentran en mal estado, nos inclinamos por un quemador nuevo diseñado solo para gas natural, utilizando como combustible alternativo aire propanado, que siendo un combustible preparado para pertenecer a la misma familia que el gas natural podrá reemplazarlo sin alterar la operación del caldero (Figur a 9.11).
223
Figu ra 9.11 Sistema de aire prop anado
b) Si el quemador esta operando satisfactoriamente, proponemos la conversión del mismo al uso de gas natural, efectuando las siguientes acciones: •
Sustitución del atomizador del combustible líquido por un inyector de gas de características de diseño adecuadas para constituir el flujo dominante en la formación de una llama adecuada al hogar del caldero.
•
Retiro del difusor de aire o su modificación para adaptarlo a la facilidad de combustión que presenta el gas natural.
•
La opción de combustible alternativo puede constituirla un combustible liquido que no requiera calentamiento (Residual 4) para lo cual solamente tendría que reinstalarse el atomizador en lugar del inyector y reubicarse el difusor srcinal, operando en la forma actual, si se quiere eliminar el circuito de combustible liquido, también se podría utilizar el sistema de aire propanado.
224
La conversión del quemador debe permitir formar una llama adecuada y completar la combustión con 5% de exceso de aire, compensando totalmente la mayor exigencia de aire de combustión y producción de gases que produce el gas natural respecto a cualquier otro combustible. 9.9.1.4 Zona Convectiva Las condiciones de transferencia de calor en los 2, 3 o 4 pasos de tubos pueden ser similares que las actuales pero la ventaja de la limpieza de los gases las de siguientes combustión del gas natural podrían aprovecharse mediante acciones: •
Al disponer de mayor impulso en el tiro forzado por la eliminación del difusor se podrá aumentar la potencia específica del hogar y producir más calor y aumentar la capacidad del caldero.
•
Al circular mayor volumen de gases por los tubos tendrían que transcurrir a mayor velocidad, pero aprovechando el mayor impulso, proponemos instalar turbuladores que provean el coeficiente de transferencia de calor a través de los tubos (Figur a 9.12). Figu ra 9.12 Turbuladores
E n la forma los calderos ganaran un sus 5 –10 % de capacidad en propuesta, vez de perderla, mejorando además niveles de eficiencia.
225
9.9.1.5 Chim eneas Los calderos pirotubulares normalmente disponen de tiro forzado que impulsa los gases circulantes hasta la base de la chimenea, cambiándose con el tiro natural de la misma para asegurar la correcta evacuación de gases a la atmósfera. La limpieza de los gases del gas natural y la no table disminución del punto de rocío ácido permite considerar la ubicación de un sistema de recuperación de calor, aprovechando el calor residual en los gases para precalentar el agua del caldero. Tomando en cuenta que por cada 20°C de disminución de temperatura en los gases se incrementa un 1% la eficiencia del caldero, se podría conseguir un 3-4% de mejora en la eficiencia mediante la instalación de un economizador de características adecuadas de diseño. Las llamadas “trampas de hollín” que instalan en los calderos para atrapar el hollín, en lugar de optimizar la combustión y eliminarlos, podrán ser utilizados para instalar los economizadores (Figu ra 9.13). Figu ra 9.13 Economizadores
226
9.9.2. Sistema d e Contro l Operativo Al convertir un caldero pirotubular al uso del gas natural, todo el circuito de agua y vapor permanece inalterable. En el circuito de combustible lo único que debe adaptarse en cuanto al sistema de control es el funcionamiento del quemador . Habiendo definido los elementos requeridos en el circuito de suministro de gas natural al quemador, solamente resultara necesario describir la secuencia encendido y funcionamiento quemador para establecer losderequerimientos del sistema del de control. 9.9.2.1 Dispos itiv os d e Cont rol d e Límite Estos controles deben evitar la puesta en marcha o provocar la salida de servicio del equipo, si se producen condiciones límites prefijadas que superen los valores de funcionamiento normal. Estas condiciones límites de funcionamiento pueden ser las siguientes: • •
Exceso de presión o bajo nivel de agua en instalaciones d e vapor. Exceso de temperatura en instalaciones de agua caliente
•
Presión baja o elevada del gas de suministro Para ello se emplean termostatos o presostatos. Cuando se producen estas condiciones límites de seguridad, el quemador solo debe poder ponerse en funcionamiento nuevamente, después de desbloquear manualmente el dispositivo de mando del equipo, dando lugar a qu e se verifique el motivo de la falla. Para equipos mayores de 100.000 Kcal/h, se deben prever sistema de alarma audible y/o visual, que indique la falla operativa de la caldera o la falla producida. Los controles de límite de alta o baja presión de gas se exigen para equipos de carga térmica superior a 1.000.000 Kcal/h.
227
9.9.2.2 Programador es Auto mático s Engene ral, para el comando de las distintasoperacionesdelos quemadores éstos vienen provistos de programadores automáticos que regulan y efectúan el control de combustión y de límite. Figura 9.14 Programa dor Au tomático
En la Figura 9.14 se muestra el conexionado eléctrico en forma simplificada, de un programador para un quemador automático con pre-barrido. En la parte inferior se indican la secuencia de encendido donde se representan los distintos tiempos de operación de los elementos. En el primer caso de arranque normal (I), se observa en el diagrama que se pone en marcha el ventilador del motor M, efectuando el pre-barrido de la cámara de combustión en un tiempo mínimo de 12 segundos.
228
Luego se pone en marcha el electrodo de encendido (Z), abriéndose la válvula solenoide de pasaje de gas al quemador piloto (V1) encendiéndose y activándose de esta manera la sonda de ionización (SI). Luego de pasado un tiempo de seguridad en el arranque (ts) (que no debe exceder de 15 segundos, de acuerdo a lo indicado precedentemente, se abre la válvula solenoide del quemador principal (V2). E n el segundo caso de (II),encendido, si pasadonoelselapso de prebarrido activado el electrodo detectara llama en ely quemador piloto al abrirse la válvula solenoide (V 1), en el tiempo de seguridad (ts) establecido, se anula la secuencia de encendido y se activa la alarma (A). Como puede apreciarse, la instrumentación requerida para operar con la seguridad exigida y establecida en normas resulta simple, ni justificando grandes inversiones en equipamiento, Para la conversión puede modificarse el tablero de control existente o incorporarse uno nuevo, con los elementos básicos requeridos y establecidos de acuerdo a las normas aplicadas en cada caso. 9.9.2.3. Niveles de Invers ión y Rentabilid ad del Proy ecto d e Conversión La disponibilidad de gas natural representa para los calderos pirotubulares la oportunidad de una conversión que constituya un proyecto de alta rentabilidad si se concibe, plante ejecuta ya en la forma técnicamente correcta. El gas natural simplifica la operación de calderos pirotubulares debiendo quitar equipos en vez de ponerlos y dis minuir costos operativos en lugar de incrementarlos. El menor precio relativo del gas natura, justificado por su imposibilidad de almacenamiento y no por ser un combutible de menor calidad, constituye un argumento para justificar la inversión en nuevos quemadores y sistemas de control complicados y costosos, pero ello resulta difícilmente compatible con la facilidad de manejo y combustión del gas natural.
229
9.10
CONVERSIÓN DE CAL DEROS ACUOTUBULA RES AL USO DEL GAS NATURAL Las ventajas y posibilidades que representa el uso del gas natural en calderos pirotubulares resultan similares a calderos acuotubulares de pequeña capacidad, pero disminuirán a medida que aumente la capacidad de producción y niveles de presión y temperatura del vapor producido. La facilidad de combustión y limpieza de gases de combustión del gas natural ofrece similares ventajas por dentro y fuera de los tubos. La facilidad de combustión y limpieza de gases de combustión del gas natural ofrece similares ventajas por dentro y fuera de los tubos. Así como permiten instalar turbuladores y economizadores en calderos pirotubulares, también representa mejores posibilidades de mayor densidad de tubos y menores distancias entre tubos en los pasos de los gases a través de los sobrecalentadores, tubos de bajada y calentamiento. La gran diferencia en este campo lo constituye la proporción de calor que se transfiere por radiación como se puede apreciar en el gráfico de la Figu ra 9.15. Figu ra 9.15 Transferencia de Calor por Radiación en calderos acuotubulares
230
En calderos pirotubulares se transfiere el calor principalmente por convección por lo cual el uso del gas natural siempre resulta ventajoso. En calderos acuotubulares a partir de una capacidad de producción de 50 t/h de vapor, la proporción de calor transferida por radiación resulta cada vez má s importante llegando a alcanzar hasta un 90% en los grandes calderos utilizados en centrales termoeléctricas. La mayor emisividad de la llama del gas natural resulta un factor limitante en la medida que aumenta la capacidad de los calderos hasta resultar inconveniente el uso del gas natural en forma exclusiva. En tales casos la utilización combinada de gas natural, combustibles sólidos y líquidos difíciles de quemar y bajo costo, representa una posibilidad más conveniente que el uso de petróleo y/o carbón. Para utilizar gas natural en calderos acuotubulares deberá tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: •
El diseño del quemador deberá orientarse a incrementar la emisividad de la llama.
•
Los niveles de exceso de aire en el manejo de la combustión deben conducirse en valores mínimos (< 10%) compensando el mayor requerimiento estequiométrico de aire respecto a otros combustibles más difíciles de quemar.
•
En el circuito de gases se debe implementar todos los elementos y factores de diseño que favorezcan la transferencia de calor por convección.
•
Los niveles de ensuciamiento de tubos utilizando gas natural deben ser nulos.
Los bajos contenidos de azufre permiten disminuir la temperatura de los gases de salida hasta valores considerablemente menores a los que resultan factores limitantes de la eficiencia cuando se utilizan petróleo y carbón.
231
CAPÍTULO
X
A PLICACIÓN DE L GA S NATURAL EN PROCESOS DE SECADO Y CALENTAMIENTO
10.1 DEFINICIÓN Y OBJETO DEL SECADO El secado, desde el punto de vista industrial, es un proceso de transferencia de calor y de masa mediante el cual se hace pasar un producto desde un estado inicial húmedo a otro estado final menos húmedo, lo que implica extraer el líquido que lo impregna, moja o disuelve, de forma que se obtiene un producto diferente al inicial, ya sea como producto final o como intermedio, en un proceso de fabricación dado. Este líquido suele ser el agua, natural o mezclada, pero también puede tratarse de otro tipo de disolvente orgánico o inorgánico. Bajo esta definición, basada en el objeto fundamental del secado, se incluyen las diferentes posibilidades técnicas de la operación: secado clásico, secado a baja temperatura, sistemas de evaporación y concentración, sistemas de deshidratación e incluso sistemas de secado mecánico. El secado puede considerarse como una operación energética elemental y especialmente como una de las operaciones térmicas básicas de la industria, junto al calentamiento de piezas y cuerpos para su transformación, a los tratamientos térmicos de diversos materiales a baja y alta te mperatura y al acondicionamiento de locales. Los principales objetivos concretos que se suelen perseguir en las operaciones de secado pueden agruparse como sigue: a) Facilitar un proceso industrial posterior. b) Reducir costos : en(p.e. transporte). c) Permitir la utilización satisfactoria, final o intermedia, de un determinado producto. d) Permitir la conservación, almacenamiento y transporte de un producto. e) Mejorar el rendimiento de una instalación o un equipo. f) Permitir el posterior aprovechami ento de subproductos.
235
10.2 PRINCIPIOS BÁ SICOS DEL IMPLICACIONES ENERGÉTICAS
SECADO
Y SUS
El proceso de secado se ajusta a unos principios básicos y depende de unos factores o condiciones fundamentales que, de por sí, entrañan implicaciones energéticas de gran importancia. Dentro de este contexto hay que hacer referencia a los aspectos siguientes: •
Propiedades del producto a secar como condicionantes del proceso de secado.
•
Mecanismos de transferencia de calor, transferencia de masa y circulación interna.
•
Períodos y duración del secado.
10.2.1. Característic as del p rod uct o a secar En el producto a secar hay que considerar los aspectos siguientes: •
Presentación de la humedad contenida.
•
Mecanismos de fijación de la humedad.
•
Mecanismos de transferencia de la humedad.
Así, el líquido contenido en un cuerpo susceptible de desecación puede presentarse en forma pura o en solución, capaz de pasar al estado cristalino o coloidal. Este líquido puede ser adherente, capilar o de volumen, según la naturaleza de la vinculación líquido-cuerpo. En definitiva, cada cuerpo presenta características propias que le hacen reaccionar de forma diferente ante la humedad de una determinada atmósfera (tensión de vapor) o el calor que se le suministra procedente de cualquier fuente térmica (desecación). En consecuencia, cada cuerpo, a una determinada temperatura, tiene un decomportamiento particular, ante un determinado ambiente humedad.
236
La energía para liberar a un cuerpo de un líquido agregado, dependerá de las características de sorción de ese cuerpo. Este planteamiento es sumamente importante ya que el conocimiento profundo de los mecanismos de fijación y presentación de la humedad es básico para identificar los límites de viabilidad de las aplicaciones de energía para el secado, porque este análisis de las propiedades fundamentales del producto debe llevar a identificar alternativas de recambio, en procesos y/o productos, que permitan rebajar los consumos de energía usualmente requeridos. 10.2.2 Secado por arrastre y por ebulli ció n Este planteamiento está íntimamente relacionado con el propio proceso de secado. Cabe hacer referencia a dos grandes grupos de procesos: por ebullición y por arrastre. La ebullición de un líquido se produce cuando su temperatura es tal que la presión de vap or Pa, de dic ho líquido es igual a la presión total ambiente Pt:
Pa = P t Este equilibrio de presión está, lógicamente, influenciado por el balance térmico existente. Así: •
Para el agua pura a la presión atmosférica la temperatura necesaria es 100°C.
•
Para las soluciones acuosas la presión de vapor del agua desciende por la presencia de cuerpos no volátiles disueltos y la temperatura necesaria será superior a 100°C.
•
Para los sólidos húmedos, los fenómenos son análogos: según el estado del agua en el producto, ésta hierve a 100°C o más.
En todos los casos la temperatura de ebullición depende de la presión, siendo más baja con vacío. La ebullición propiamente dicha (formación de burbujas de vapor) es más difícil de observ are los nsólido s o los cuerpos pastosos que en los líquidos.
237
En pc eol as articular de la liofilización, seunaproduce sublimación al efectuarse un alto vacío sobre el producto previamente congelado. Para que se efectúe esta sublima ción es preci so lo grar unas condiciones de presión y temper atura tales que hagan permanecer al producto en su punto eutéctico. Este proceso, muy frecuente en farmacia y alimentación, exige una preparación previa (la congelación). En todos los casos, el proceso de evaporación está determinado por el sistema de aporte de calor latente de evaporación. Este aporte es efectuado: • Por conducción, a partir de una superficie caliente en contacto con el producto. •
Por radiación o generación interna de calor, debido a la exposición a rayos infrarrojos, a microondas o por un calentamiento dieléctrico.
•
Por convección, a partir de vapor de agua sobrecalentado o de un fluido hirviendo.
La ebullición permite el secado de productos muy oxidables o la eliminación de un disolven te volátil, combustible en presencia de aire, por ebullición en un circuito cerrado. En el secado porcaliente arrastre, al ponerse en contacto un cuerpo húmedo con aire y seco, se establece una diferencia de presión parcial de agua y temperatura, entre ellos, que se caracteriza por: •
Una transferencia de calor entre el aire y el producto por efecto del salto térmico.
•
Una transferencia de agua que se efectúa en sentido inverso por baja humedad relativa en el aire.
En la Figura 10.1 se incluye un ejemplo típico de «arrastre de calor y masa» en el secado de un producto muy hidratado.
238
El secado se llama isoentálpico si la energía necesaria para la evaporación del agua es exactamente igual a la aportadpor el a aire caliente. El aire sirve como calefactor y gas vector para el agua evaporada, entrando seco y caliente en el secadero y saliendo húmedo y menos caliente. Precisamente este aire húmedo y menos caliente contiene, aún, un importante calor latente en el agua liberada; a él se ha hecho referencia anteriormente, calculándose un importante valor de energía recuperable en base a este principio. T en del la ebullición el arrastre, la presión del vapor deanto agua producto como quienen determina losesintercambios entre el aire y el producto. Las bases teóricas que determinan estos intercambios que conducen al denominado estado de equilibrio, se recogen en la bibliografía técnica sobre el tema (p. e.: Loucin 1976). Figu ra 10.1 Esquema de S ecado por A ire
En resumen la relación fundamental de este equilibrio es:
Pp = Pt . aw
239
Pp
=
Presión de vapor de agua de una sustancia.
Pt
=
Presión de vapor de agua pura a la misma temperatura “t”.
aw
=
Actividad del agua o grado higrométrico del aire en el equilibrio entre el sólido y la atmósfera que lo rodea.
Las anteriores definiciones permitenrelativa medirdelauna de un awpequeña producto, determinando la humedad cantidad de aire en equilibrio con ese producto. Existe pues, una relación entre aw y n s (contenido en agua, medido en kg de agua/kg de materia seca) a una temperatura dada. Esta relación se representa por la “isotermia de sorción del producto”. En la Figur a 10.2 se representa gráficamente esta relación para cuerpos de diferentes grados de higroscopicidad. En la Figura 10.3 se recogen curvas de sorción de diferentes cuerpos (según Kneule). Figu ra 10.2
240
Figu ra 10.3 Curvas de Sorci ón d e Diferentes Materiale s
La determinación de las curvas de sorción son de gran importancia para identificar con eficacia los condicionantes básicos de cualquier proceso de secado. Esta determinación es muy sencilla y existen métodos, como el de las «Sales Saturadas», descrito por Loucin, de fácil aplicación. En definitiva, cuando aw es diferente a 1 se dice que el producto tiene «agua libre» y si aw es sensiblemente menor que 1, se dice que el producto tiene «agua ligada». En este último caso el secado es más difícil y exige mayor aporte energético.
241
10.2.3 Preparación previa del pro duc to Este planteamiento lleva a importantes conclusiones en relación con la «preparación previa al secado». La isoterma de secado variará según se presente el agua dentro del producto de forma que una primera «deshumidificación» por procedimientos de bajo consumo energético o mediante aportaciones energéticas sustitutivas (p. e.: energía solar) facilitarían las fases finales del proceso de secado, exigiendo menor aporte energético. No siempre esen fácil esta numerosos preparaciónfactores previa del producto pues hay que tener cuenta implícitos: Materia prima, relación tiempo/temperatura, aceleración de modificaciones internas, calidad final, aspectos higiénicoscontaminantes, etc. Se tratará de conjugar la viabilidad del pre-tratamiento y el tratamiento de secado con esos factores incidentes. Así, ciertos pre-tratamientos son igualmente interesantes como mejoradores de la calidad del producto y del balance energético del proceso: •
Blanqueado de inactivación enzimática microorganismos (Industrias alimentarias).
•
Tratamiento al S02 que ralentiza la reacción de Maillard.
•
•
que
destruye
Tratamiento con ácidos (ascórbico, cítrico, cloruro de calcio, etc) o con sosa. Congelación (para secado por liofilización).
También merece atención la relación tiempo de secadotemperatura, directamente ligada a la curva de sorción del producto y a la etapa de preparación previa. La racionalización de estas variables puede llevar a dar preferencia a secadores de baja temperatura y de reducido período de secado ; a investigar las condiciones de secado que eviten la obtención de un producto final inútilmente caliente; a favorecer el secado neumático; etc. Se abre, con este planteamiento, un amplio campo de investigación a fin de optimizar la calidad y el coste del secado y , en de finitiva, a reducir el consumo en ergético vinculado a este proceso.
242
10.2.4. Transferencia de c alor y d e masa Otro de los principios básicos del proceso de secado se refiere al comportamiento del aire húmedo. El contenido en energía de este aire húmedo viene dado por la entalpía másica de las mezclas aire-agua. Este contenido, medible por muy diversos procedimientos, tiene gran interés desde el punto de vista energético, por definir el entorno de condicionantes externos en los que se basan los cálculos de recepción de energía recuperable. En esencia, el fenómeno evaporación que desempeña unvaporización papel primordial en el haypresión que distinguirlo del clásico de ya que ensecado, aquél, la de vapor del líquido de la superficie húmeda es inferior a la presión total. Por consiguiente, este fenómeno de evaporación se caracteriza por un intercambio simultáneo de calor y materia. Debido a la corriente de aire que pasa sobre la superficie del líquido, el calor se transporta al líquido en condiciones de evaporación mientras que, simultáneamente, una parte de sus elementos pasa a la atmósfera en forma de vapor. Es una difusión basada en un evidente movimiento molecular. Esta transferencia de calor y materia se produce en el producto y en el medio que lo contiene. Las leyes de Fourier (donde interviene el gradiente de temperatura) y de Fick (donde interviene el gradiente de concentración de la sustancia), regulan, en teoría, la transferencia de calor y la transferencia de masa que se produce en un medio susceptible de difusión. Sin embargo, estas leyes no se aplican rigurosamente, ni de forma simple, en la realidad del secado. Así, la «migración interna de humedad» puede obedecer a razones de filtración, por presión, si se trata de cuerpos porosos. Esta observación reviste especial interés pues se relaciona con la posibilidad, ya comentada, de la reevaluación de los sistemas mecánicos de secado, de menor consumo energético, capaces de forzar ese efecto de filtración sin necesidad de transferir, mediante aportación energética, calor de intercambio. Por otra parte está el proceso de transferencia de calor y de materia en el aire que rodea al producto. En la mayoría de los secadores industriales este aire adquiere un cierto régimen de turbulencia dejando siempre un colchón-límite de separación, con circulación laminar, como se representa en la Figura 10.4 . Esta masa de aire A’ está en equilibrio de humedad y temperatura con la superficie del sólido de forma que:
243
T’ = T s i’ = a ws Figu ra 10.4
10.2.5. Las fases del secad o Estos fenómenos caracterizan la transferencia de calor y materia y se admite que toda la resistencia a ésta, que hay que vencer mediante aportación energética, se sitúa en esa zona de coIchón-límite. Especial importancia tienen entonces los períodos de transferencia que, en teoría, son tres: Período 0
:
Adaptación de la temperatura del producto a desecar.
Período I
:
Período de velocidad de secado constante o de evaporación superficial
Período II
:
244
del agua libre. Fase de secado decreciente.
La aportación del Período 0 es grande en productos de dimensiones considerables e incide fuertemente en el diseño y elección de un secadero así como en el sistema energético óptimo. El segundo Período existe mientras tenga lugar el proceso de evaporación hasta un punto de «contenido crítico de agua». Las razones del ralentizado del secado en ese período II (de múltiples subfases y variaciones) están en la ausencia de agua libre de superficie y los fenómenos de obstrucción de poros (costra) que acompañan en esta etapa final. En conjunto, la temperatura del cuerpo a lao del aire automáticamente, casi alcanzándola en se un aproxima período más menos largo (Fig. 10.5). Figu ra 10.5
El cálculo de estos períodos es muy complejo pero necesario pues permite conocer con exactitud los requerimientos energéticos, en cada momento, para evitar no sólo el deterioro del producto sino el derroche de energía. Todo este planteamiento hace referencia a los sistemas de secado por arrastre isoentálpico y tiene validez, con matizaciones, para el secado por ebullición, por liofilización o por arrastre no isoentálpico. En cada caso los factores temperatura y tiempo (básicos para efectuar el cómputo energético) tienen comportamientos peculiares que influyen decisivamente en el cálculo del proceso de secado y en el diseño del secadero que corresponde.
245
10.2.6. Sistemas de prop agación del calor Finalmente, entre los comentarios relativos a los principios básicos del secado, no puede dejar de hacerse una rápida mención a los diferentes modos de propagación del calor y sus consiguientes repercusiones energéticas. El secado por contacto se basa en la propagación del calor por conducción: la materia se encuentra en contacto con superficies calientes. Se distingue: a) no Secado por vaporización (el espacio receptor delpor vapor contiene gas inerte ypura el calor se difunde sólo la superficie de contacto). b) Secado por evaporación (un medio secador aire-vapor aporta un suplemento de calor al calentamien to en superficie). En el calentamiento por convección, el calor se transporta por el desplazamiento de partículas materiales procedentes de líquidos o gases. Cuando no existe un soporte material para ese desplazamiento se habla de propagación por radiación. El secado emplea a menudo los denominados «radiadores selectivos» que presentan un poder selectivo de absorción de amplias bandas de espectros energéticos. Además de los anteriores sistemas de propagación del calor están el calentamiento por inducción de materias conductoras de la electricidad (metales, carbón y electrólitos) mediante campos de corriente alterna de media frecuencia. Frente a este sistema está el prometedor secado dieléctrico, basado en la propagación del calor por desprendimiento calorífico interno mediante la generación de campos eléctricos de alta frecuencia. La aplicación de este principio a ciertos procesos de secado (p. e.: madera) puede ofrecer notables ventajas energéticas, incrementadas aun si se realiza al vacío (secado discontinuo al vacío). Finalmente debe hacerse mención a un amplio número de procedimientos especiales de aportación de calor: secado rápido a alta temperatura, secado por vapor sobrecalentado, aplicación de gases de combustión como agentes de secado y utilización de aceites, productos químicos y disolventes en caliente, como agentes de secado. Todos estos procedimientos reúnen especiales ventajas o inconvenientes para su aplicación en el proceso de secado, pero constituyen alternativas válidas para intentar la mejora del balance energético de cada proceso.
246
En resumen, la consideración global de todos estos principios básicos (características del producto, mecanismos de transferencia de calor y de masa y sistemas de propagación de calor), enfrentada al volumen energético que implica su aplicación en un proceso de secado determinado, permite deducir que están abiertos importantes campos de estudio e investigación que faciliten localizar y poner a punto alternativas sustitutivas de los procesos actuales, en beneficio de un importante ahorro energético. 10.3 TIPOS DE SECADORES Existe una amplísima gama de secadores; esto se debe a la diversidad de productos a tratar, de volúmenes a secar y de condicionantes impuestos por el producto a secar, el fluido secador y el material de composición del secador. Numerosos autores han descrito y clasificado los diferentes secadores existentes. Quizás, hasta ahora, entre esos criterios de clasificación y jerarquización hayan tenido poco peso los relativos al consumo de energía; ello permite abrir un campo de estudio y clasificación de secadores en base a este importante criterio. En cualquier caso, y tan sólo a título orientativo, en el Cuadro 10.1 se recoge la clasificación de Kneule relativa a los secadores industriales. Sin entrar en la descripción de los mismos, sólo destacar las variables utilizadas por Kneule para clasificar y analizar los secadores: Cuadro 10.1 Clasificación de Kneule
247
a)Tipo de propagación de calor (convección, conducción, radiación y espirales). b) Presión utilizada en el proceso (normal o vacío). c)Movimiento del producto (inmóvil, base móvil, gravedad, etcétera). d)Corriente de secado (paralela, contracorriente, transversal, etc.). e) Aportación de calor (continua, discontinua, de caldera con vapor, directa con fuel, etc.). f) Técnicas especiales en cada caso (bandejas, cilindros, tambores, túneles, bandas, etcétera). Tienen gran interés desde el punto de vista energético y merecen destacarse, por cuanto implican de sarrollos tecnológicos a tener en cuenta, los secadores basados en procedimientos especiales de aportación de calor: •
Secadores de radiación: Pueden ser hornos de carga intermitente o túneles de secado y funcionan con o sin desplazamiento de aire. La base es el cuerpo radiante; recientemente han adquirido gran importancia los radiadores infrarrojos de cuarzo y los radiadores oscuros. Tienen gran interés en invernaderos, lacas, tejidos, etc. En este grupo se encuentran los secadores infrarrojos o radi adores luminosos, los radiadores catalíticos, los de banda por radiación infrarroja, los canales de secado infrarrojo, los de ventilación por toberas y radiación, etc.
•
Secaderos dieléctricos, a los que se hizo referencia en puntos anteriores.
•
Secado por congelación y/o liofilización, al que también se hizo referencia en apartados anteriores, y entre los que se encuentran las cámaras de secado, los shell-freezing, los tubos de regulación y los de pulverización y congelación.
248
Alguno de los secadores mencionados se han representado en la Figura 10.6 . Figu ra 10.6 Tipos d e Secadores
También tiene gran interés la clasificación de secadores de Bimbenet, de gran sencillez, que introduce el criterio de duración del proceso del secado. A modo de resumen recordatorio de los tipos de secaderos, vale la pena recogerla aquí: 10.3.1 Secaderos d e ebulli ción a) Larga duración (varias horas): Armarios de vacío, secadores de tornillo calefactor, Iiofilizador al vacío, etc. b) Corta duración (varios minutos): Cocción, microondas, etc. c) Ultracorta duración (decenas de segundo): Cilindros calefactores, evaporador-secador de superficie lisa, etc.
249
10.3.2 Secaderos de arrastre a) Larga duración: Armarios, bandas, bandejas, túneles, verticales, tamices, etc. b)Corta duración: Cilindros rotativos, transporte mecánico y neumático, fluidificación, etcétera. c)Ultracorta duración: atomización, etc. •
Transporte
neumático,
dispersión,
10.4 GENERACIÓN DE GASES CALIENTES CON GAS NATURAL
Las operaciones de secado y calentamiento representan alrededor del 10% del consumo energético del sector industrial, por lo cual su optimización técnica y económica resulta de fundamental importancia a nivel empresarial y nacional. La importancia del gas natural para el secado y calentamiento la podemos apreciar analizando los 3 componentes que influencian su aplicación : Producto a secar o calentar, horno para secado y/o calentamiento y el fluido secador. •
La forma en que se presenta la humedad en el producto y las condiciones que deben tenerse durante el calentamiento, durante y después del man secado resultan determinantes de la energía requerida y su forma de aplicación.
•
El tipo de horno secador, las características de transferencia de calor y la forma de extracción de la humedad deben ser los apropiados para mantener o definir las características del producto seco.
El aire o fluido secador debe permitir extraer la humedad en la forma prevista y sin afectar las exigencias del producto. Desde el punto de vista energético siempre resultará conveniente el secado directo, pero si existe la posibilidad de alguna forma de contaminación o variación de las características del producto por los agentes directos (vapor, gases de combustión, aceite térmico, etc.), se debe recurrir al calentamiento indirecto, uti un intercambiador que transfiera el calor del agente calizando lefactor primario al aire atmosférico.
250
El metano es una molécula perfecta (CH4), su combustión es perfecta y sus productos de combustión también son moléculas perfectas (CO2 y H2O) que son también constituyentes del aire atmosférico (Figu ra 10.7). Figu ra 10.7
La limpieza del gas natural, conformado exclusivamente por metano y etano, su facilidad para asegurar una combustión completa y la composición de sus gases de combustión, permiten asegurar la utilización directa de dichos gases con una proporción adecuada de aire de dilución en cualquier proceso de secado. En la Figura 10.8 se muestra objetivamente la factibilidad de disponer de aire caliente para cualquier tipo de secador por arrastre o ebullición, mostrando que los componentes de la reacción de combustión del metano, al diluirse con aire (5 a 1), constituyen, prácticamente, aire caliente.
251
Figu ra 10.8
Al efectuar la dilución con una proporción de 5 : 1 aire – gases, el resultado tendrá una composición muy parecida al aire, siendo la única diferencia una ligeramente mayor proporción de CO2 y H2O que constituyen elementos inertes en el proceso de secado. Para disponer de aire caliente generado con la participación de los gases de combustión del gas natural se puede utilizar principalmente dos sistemas: •
Instalación de un quemador del tipo “en vena de aire”, como el que se muestra en la Figura 1 0.9. El calentamiento del aire impulsado por el ventilador se efectúa directamente en el interior de los ductos de transporte, regulando la temperatura de los gases mediante la modulación del aporte de combustible y combustión. Esta posibilidad resulta muy práctica y efectiva para disponibilidades moderadas de aire caliente y niveles igualmente moderados de calentamiento y secado.
•
Utilización de un Generador de aire caliente como el que se muestra en la Figura 10.10 que permite la disponibilidad de volúmenes importantes de gases limpios de combustión que combinados dentro o fuera del generador con aire de dilución, permita proporcionar el agente de calentamiento y/o secado para cyua lquier proceso industrial que los requiera. Los diseños y dimensionamientos de estos equipos pueden adapatrse a los requerimientos de planta.
252
Figu ra 10.9 Quemador Tipo Vena de Aire
Figu ra 10.10 Generador de Air e Caliente
253
10.5 APL ICACIONES INDUSTRIALES DEL GAS NATURAL EN SECADO Y CAL ENTAMIENTO Alrededor del 10% del total de combustibles utilizados en la industria de países latinoamericanos se emplea en proceso s de secado y calentamiento, lo cual demuestra la importancia de tales operaciones en la mayoría de plantas industriales. La utilización del gas natural en tales operaciones, determinando la factibilidad total del secado y contacto directo, al permitir disponer de aire caliente sin impurezas ni complicaciones, plantea un que enfoque diferente encomo una sigue: serie de utilizaciones específicas, podemos agrupar •
Calentamiento directo
•
Calentamiento indirecto
•
Operaciones térmicas específicas.
10.5.1 Calentamiento dir ecto El calentamiento directo puede consistir en el calentamiento del aire por combustión de gas en su corriente, obteniendo una mezcla de aire y productos de combustión a la temperatura deseada, o en el cale ntamiento directo, por gas, de líquidos o de productos (contenidos en hornos sin muflas). Debemos señalar especialmente el desarrollo rápido reciente y de operaciones térmicas fundadas en la técnica de los quemadores de gas en corriente de aire. Los quemadores en vena o corriente de aire deben responder a ciertos criterios, entre los cualesesnecesariaunacombustión perfecta completa a cualquier régimen de marcha. Los productos de combustión deben ser compatibles con las normas de higiene en el caso de secado de ciertos productos alimenticios, y con la s exigencias de seguridad en el casodeventilacióndelocales. Las principales ventajas de esta técnica son las siguientes: •
Inversiones inferiores a cualquier otra solución-vapor tributaria de una central de vapor;
•
Rendimiento térmico elevado y sin pérdidas en el transporte del fluido;
•
Funcionamiento posible a temperaturas más elevadas que con el vapor;
254
•
Posibilidad de aumento y mayor homogeneidad de la transmisión de calor respecto a los productos a tratar;
•
Control de temperaturas más exacto y posibilid de ad modificación de temperaturas más rápida durante el ciclo;
•
Espacio compacto reducido.
Entre los procesos de calentamiento directo por quemadores en corriente de aire, podemos señalar: a) Ventilación atemperada de locales industriales Frecuentemente, los procesos de fabricación son una fuente importante de polución del aire en los locales industriales. Este tipo de contaminación, cuyas posibles causas son múltiples, se presenta en numerosas actividades de la industria. En todos los casos, es necesario reemplazar el aire viciado por otro fresco mediante una ventilación adecuada. En ciertos casos, se quiere renovar 10 veces el volumen de los locales por hora. En la práctica, lo corriente hasta ahora era evacuar el aire viciado dejando que su renovación se efectuara de modo natural por los orificios del local, cuyas dimensiones y situación no fueron previstas para tal función. La solución racional consiste en prever unos dispositivos que aque seguren la admisión artificial y canalizada degrandes aire fresco. Puesto no sería aceptable, en invierno, introducir cantidades de aire del exterior a temperaturas muy bajas, la instalación debe completarse con un sistema de calentamiento de dicho aire hasta una temperatura por lo menos igual a la que reina en el local. El interés del calentamiento directo por gas en vena de aire radica en que su rendimiento es del 100 %, ya que todo el calor desprendido en la combustión se encuentra en la mezcla de aire y productos de combustión. Sin embargo, esta técnica de ventilación excluye toda pos ibilidad de reciclaje y, por tanto, como sistema de calefacción puede resultar costosa. En Estados Unidos, Inglaterra y Bélgica existen reglamentaciones al respecto precisando las proporciones de compuestos nocivos de la combustión, a fin de no perjudicar la salud de las personas que ocupan el local que se ventila.
255
Las ventajas del sistema pueden resumirse como sigue: •
Economía de combustible de 25 a 40 %,
•
Reducción del coste de mantenimiento superior al 50 %,
•
Disminución de 35 a 50 % en la inversión global de la instalación,
•
Mínimo espacio ocupado y rápida puesta en régimen.
La parte esencial equipo es el de quem a seguridad. dor, que de beSus comprender ciertosdel dispositivos característicasdeco nstrucción s nes o ecialp es, dadas sus condiciones de empleo: en efecto, deben poder asegurar, a todo régimen de marcha de la corriente de aire, una llama estable y una combustión completa. Además, diferentes dispositivos de seguridad, de los que citamos a continuación, garantizan y protegen al material y al personal de las consecuencias de incidentes eventuales de funcionamiento: •
Detector de llama, a tiempo de respuesta rápida, destinado a cortar el gas caso de fallo del encendido o de paro imprevisto de la combustión;
•
Presostatos de presión, destinado a mantener el caudal de
•
•
gas entre los límites de seguridad impuestos; Termostato de máxima sobre la temperatura de la mezcla aire-productos de combustión, para evitar todo riesgo de sobre-calentamiento accidental, sea por exceso de gas o por insuficiente caudal de aire; Dispositivo de enclavamiento del encendido del quemador, a la puesta en servicio del ventilador de la corriente o vena de aire.
Además de la ventilación de grandes locales industriales, el procedimiento es indicado para establecer cortinas de aire caliente, para renovación de aire en las cabinas de pintura, para locales comerciales, etc.
256
La Figu ra 10.11 representa una instalación de quemador en corriente de aire. Figu ra 10.11 Instalación d e Quemador en Corri ente de Air e
b) Tratamiento de superficies Las estufas de secado de pintura en marcha continua son actualmente muy utilizadas. La calefacción directa representa, sobre las instalaciones de calefacción indirecta (aire calentado por cambiador de vapor), una economía de combustible que puede representar un 45 %. Además, las nuevas técnicas permiten la eliminación total de los efluentes por reciclaje de la atmósfera cargada de disolventes, con recuperación y utilización en la estufa del calor producido en la combustión de aquellos. c) Secado de alimentos, agrícola e industrial En general, la utilización del secado directo por gas sustituye al secado indirecto, sea por vapor, sea por combustibles líquidos a través de un cambiador de calor. Se conciben fácilmente las ventajas del utilización. secado directo en la directo inversión, rendimiento y la agilidad de El secado porelgas en el campo agrícola de la alimentación, aunque muy atractivo gracias a las características constantes del gas, no siempre está autorizado sin restricciones en todos los países.
257
Este procedimiento encuentra aplicación especialmente para el secado de la malta, la alfalfa y los granos (maíz, trigo, centeno, etc.), e incluso para la fabricación de leche en polvo por atomización en la corriente de aire caliente. Para alcanzar temperaturas de 180 0C a 200 0C, compatibles con las exigencias del secado por atomización, el vapor, en caso de calefacción indirecta del aire, debe alcanzar presiones del orden de 14 a 20 bares, como resulta del cuadro adjunto: Temperatura del aire secado 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C
Temperatura del
Presión del vapor
vapor (saturado) 125 -150 °C 175 - 200°C 225 - 250°C 275 - 300°C 325 – 350°C
(saturado) 1,5 - 4 bares 8 - 15 » 25 - 40 » 60 - 86 » 122 -168 »
Ello implica inversiones muy altas, tanto más cuanto son suficientes presiones mucho menos elevadas para las otras necesidades térmicas de las instalaciones. Para esta aplicación es posible obtener economías de un 20 a un 30 % en inversiones para caudales de aire de más de 30000 kg/h y rendimientos superiores del 20 al 25 %. Otro ejemplo interesante es el de fabricación de un concentrado en proteínas a partir de residuos de pescado. A partir de éstos se prepara un hidrolizado de proteínas solubles, que se precipitan por atomización. Otros ejemplos son el secado de la malta, los granos y la alfalfa, así como la torrefacción del café y el secado de embutidos. En el secado industrial podemos citar el secado de ladrillos y piezas cerámicas crudas, en donde el quemador se incorpora a la corriente de los gases y aire procedentes de la combustión en el horno, con lo que, de esta forma , puede recuperarse su calor. Debe también señalarse el secado de textiles estampados y del papel en curso de fabricación. d) Incineración de efluentes Esta aplicación del gas natural, que se extiende rápidamente, consiste en oxidar completamente y en caliente los efluentes hidrocarburados procedentes, por ejemplo, de los disolventes, para transformarlos en gas carbónico y vapor de agua, elementos no contaminantes.
258
La incineración se efectúa por combustión directa a 700 – 800°C, o bien por combustión catalítica hacia 350 – 400°C. Esta última depende de la posibilidad de envenenamiento del catalizador y de su regeneración. El quemador en corriente de aire permite una homogeneización de temperatura muy rápida al nivel del quemador, de forma que la longitud de la cámara de combustión es menos importante que en otras técnicas, donde la homogeneización tiene lugar en la cámara. Para contenidos de oxígeno superiores a 18 % en los efluentes, la dilución de los solventes es suficiente para que aquellos (a menudo a temperatura 100°C) puedan serviresdenecesario comburente en la incineración. Parade contenidos más bajos, un aporte suplementario de aire (oxígeno). Como empleo de incineración de efluentes podemos citar el caso de las imprentas (offset), de las instalaciones de secado y cocción de lacas, barnices y pinturas, etc. e) Hornos indus triales a fuego directo La solución del horno muflado, que es absolutamente necesaria en el caso de combustibles conteniendo impurezas susceptibles de alterar la calidad de los productos en curso de tratamiento o elaboración, no es necesaria en el caso de combustibles gaseosos exentos de azufre. La estructura de los hornos queda notablemente simplificada y disminuida la cuantía de las inversiones. El gas de permite disminuire sensiblemente la importancia de las cámaras combustión, incluso eliminarlas completamente repartiendo el caudal calorífico en múltiples quemadores situados en los lugares más favorables. Es el caso de los hornos túnel de cocción de cerámica y de porcelana a fuego directo, equipados de quemadores múltiples situados en las paredes y en la bóveda, caso que hemos mencionado al tratar del gas natural en esa industria. Se pueden igualmente adoptar quemadores radiantes a alta temperatura, como los descritos en el capítulo de los quemadores intensivos, los cuales aportan la energía calorífica a la carga del horno por radiación, así como quemadores de gran velocidad de salida de los productos de combustión o quemadores «jet», que activan fuertemente la transmisión de calor por convección. Otros hornos recurren a técnicas específicas diferentes de las utilizadas para otros com bustibles, de porhierro ejemplo: los hornos de fusión en metalurgia, la fabricación fundido en hornos cuba a gas sin coque, la fabricación de cal, la calcinación a fuego directo, la producción de cromato sódico, el termofijado y el secado de tejidos, etc.
259
Finalmente, existe en muchos casos la posibilidad de equipar los hornos con recuperadores continuos de calor para precalentar el aire, o éste y el gas; están concebidos especialmente para el gas, teniendo en cuenta que sus productos de combustión no son corrosivos ni cargados de hollín o polvo. f) Ho rnos e quipados de quema dores de radia ción Aparte de la radiación del recinto o laboratorio del horno llevado a altas temperaturas con quemadores de gas, nos referimos en este apartado a los equipos de calentamientos especiales, concebidos para transmitir el calor por radiación a los productos elaborados. El gradiente importante de temperatura permite alcanzar la temperatura útil de tratamiento muy rápidamente, pero obliga igualmente a determinar con precisión el tiempo necesario para completar la operación térmica. En general, este tipo de quemadores se utiliza, sobre todo, en las líneas de tratamiento continuo. Para procesos de temperaturas relativamente bajas (200 a 300°C) existen paneles radiantes (temperatura de emisión de 300 a 900°C) que se montan alrededor de la cadena de avance de las piezas y se disponen y regulan en función de éste. En este tipo de hornos se recupera a menudo el calor de los productos de combustión, que se ponen en contacto con las piezas a tratar con objeto de aumentar el rendimiento global. Como ejemplo de estas aplicaciones podemos citar el secado de pinturas sobre metal (muebles metálicos, neveras, indu stria del automóvil, etc.) en la industria del papel, en el secado de tintas de imprenta, y en el secado de tejidos Ramel). También se han obtenido muy buenos resultados en el secado de las piezas de porcelana calibradas, que permiten una cadencia más rápida de la cadena de cocción. Citemos igualmente el calentamiento por infrarrojos de cubas para la fabricación de resinas sintéticas, en donde se calcula un rendimiento térmico doble del obtenido por medios clásicos de calentamiento. Finalmente, ciertos tipos de paneles radiantes de infrarrojos se utilizan para la calefacción de grandes locales. Este sistema, que se sale del cuadro de nuestro estudio , es interesante sobre todo en el caso de locales de altura elevada, mal aislados y mal cerrados: naves industriales, iglesias, palacios de deportes, etc. También se utiliza en recintos abiertos al aire libre: terraza de cafés, campos de deporte, escaparates de tiendas, etc.
260
g) Calenta miento de líquidos por
combus tión su mergida
En la combustión sumergida, los líquidos se calientan por contacto directo con los productos de combustión generados por el quemador, el cual penetra directamente en el líquido. El intercambio térmico es tan rápido que los productos de combustión abandonan el líquido por su superficie a la temperatura de este último. Estos productos salen cargados de los productos volátiles del líquido. Por el contrario, éste puede disolver los compuestos solubles (principalmente el anhídrido carbónico CO2). Los productos de combustión emergen saturados, puesto que la cantidad de agua de saturación de los productos de combustión aumenta con su temperatura. Ello tiene las siguientes consecuencias: •
A cierta temperatura (55°C para el gas natural), la cantidad de agua producida por la combustión equivale a la cantidad de agua de saturación. El rendimiento respecto al P.C.I. (poder calorífico inferior) es del 100 %;
•
A temperaturas inferiores, parte del agua producida por la combustión se condensa en el baño, recuperándose su calor de vaporización. El rendimiento respecto al P.C.I. resulta superior al 100 %;
•
A temperatura s superiores, sebaño produce fenómeno contrario. Hay evaporación de agua del paraelsaturar los productos de combustión y ello de forma creciente con la temperatura, hasta una temperatura próxima a los 90°C, para la cual todo el calor desprendido por los productos de combustión se emplea en evaporar el agua de saturación. A dicho límite, el rendimiento en relación al P.C.I. es nulo y no es posible aumentar la temperatura del líquido, por lo que conviene no sobrepasar los 80°C si se desea conservar un valor aceptable del mismo.
Los quemadores de combustión sumergida, de los que existen numerosos modelos y de los que hemos representado un tipo en el capítulo de quemadores, se utilizan para el calentamiento de baños de decapado, para la concentración de soluciones, calentamiento de piscinas y de grandes cantidades de agua, producción de atmósferas saturadas de agua, regulación de reacciones químicas, etc.
261
10.5.2
Calentamiento indi recto
En las operaciones térmicas que no ponen en contacto los productos de combustión con los productos fabricados, ciertas técnicas son comunes a diferentes combustibles; sin embargo, por otra parte, han nacido nuevas técnicas, derivadas desde su origen únicamente para los combustibles gaseosos. Estas técnicas encuentran aplicación en el calentamiento de cubas para el estañado, galvanización, revenido en aceite, cromado, decapado, fosfatado, etc. También pueden aplicarse en diversos hornos de marcha continua que han sido proyectados y construidos especialmente para utilizar gas en las industrias de alimentación, papel, vidrio, etc. Un crisol para la fusión de metales no férreos permite, con el gas, unas cargas térmicas sensiblemente más elevadas, debido a que permite una cámara de combustión y unos espacios entre el crisol y el revestimiento refractario más reducidos. Mejor rendimiento térmico y menor rotura de crisoles por golpes de fuego. Especialmente en el calentamiento de líquidos pueden emplearse dos sistemas: el calentamiento fondo por el del tanque o cuba y el calentamiento por tubos sumergidos, constituyendo el intercambiador de calor. a) Calenta miento de líquidos por el fondo de la cuba En el caso de calentamiento de cubas o marmitas, aun a temperaturas elevadas, se utilizarán quemadores sin mezcla de gas y aire o quemadores con mezcla con proporciones de aire inferiores a los de la mezcla teórica, en los que pueda admitirse en el hogar el aire secundario tomado de la atmósfera. Estos quemadores podrán ser uno o varios con formación de numerosas pequeñas llamas verticales (como en las calderas de calefacción doméstica) completamente adaptados a la forma de cada tanque o cuba. De esta forma se elimina la necesidad de un hogar revestido de paredes refractarias, como en el caso de empleo de comestibles sólidos o líquidos.
262
En la Figura 10.12 representamos una cuba calentada por el fondo, mediante un reparto uniforme de pequeñas llamas, eliminando el peligro de sobrecalentamiento local, en la que el tiro se produce por la suficiente altura de la cuba, y el aire secundario necesario a la combustión se admite por una serie de orificios repartidos bajo la parte inferior del hogar. Los productos de la combustión circulan por el interior de una doble pared rodeando la cuba y se escapan a la atmósfera sea por orificios practicados en la parte superior de la doble pared junto con los vapores, captados todos por una campana, sea por una chimenea metálica que los expulsa al exterior. Unos nervios soldados en el fondo y en paredes verticales la cuba los en intercambios de las calor. La doble pared de debe estar aumentan calorifugada sus caras exteriores. La transmisión del flujo de calor por el fo ndo del recipiente puede no ser conveniente en según qué operaciones. Así, el zinc fundido utilizado para galvanizar, ataca al hierro (aún el ARMCO), sobre todo entre 420 y 480°C, formando una costra o escoria (zinc duro) conteniendo 95 % de zinc y 5 % de hierro que se adhiere al fondo del baño, constituyendo un obstáculo para la transmisión del calor. Conviene pues efectuar el calentamiento lateral de la cuba y evitar éste por debajo del nivel máximo susceptible de alcanzar la costra. Los baños de fosfatación presentan un problema análogo. Los quemadores deberán pues colocarse repartidos a lo largo de las paredes de la cuba. Figu ra 10.12 Cuba calentada por el fondo
263
b) Calenta miento de líquidos por
tubos sumergidos
Esta técnica, similar a la de los serpentines de vapor y de resistencias eléctricas sumergidas, en la que la fuente de calor está colocada en el seno del líquido a calentar, obtiene rendimientos térmicos del orden de 70 a 80 %, muy superiores a los de calentamiento por el fondo, del orden de 45 a 55 %. Se trata de un sistema de calentamiento interno indirecto, diferente a la combustión sumergida de calentamiento directo, puesto que no hay contacto entre los productos de combustión o la llama y el medio aa través calentar. productos de comb ustión quemador circulan de Los un tubo sumergido en la cuba,del y salen al exterior por el mismo tubo. En lo que concierne a la forma y emplazamiento del tubo, así como al tipo de quemador, pueden adoptarse distintas disposiciones. Lo mismo puede decirse del tiro natural o indirecto de los productos de combustión. Las características que debe satisfacer un tubo sumergido son las siguientes: •
Potencia térmica importante para permitir una puesta en régimen de temperatura rápida. Según el tipo de quemador elegido, la densidad del flujo térmico referida a la superficie interna del tubo va desde 20 a 30 termias/h.m 2
•
Espacio ocupado reducido, lo que obliga a trabajar a tasas de
•
transmisión tan elevadas como sea posible; Facilidad de montaje, se pueden utilizar tubos que atraviesan las paredes de la cuba o, en caso principalmente de cubas no metálicas, tubos apoyados sobre las paredes sin que atraviesen las mismas.
En la transmisión de calor por mediación de tubos sumergidos en el baño, se obtiene una utilización más racional del calor. El empleo de turbuladores sumergidos permite utilizar quemadores de toda clase para producir cualquier temperatura. Estos tubos pueden adoptar la forma más conveniente al recipiente o cuba conteniendo el baño a calentar. En el capítulo de quemadores hemos representado varias soluciones de calentamiento de baños por tubos sumergidos. La elección de una u otra dependería del problema a resolver: movimiento y circulación las piezas a en tratar, riesgos choques, deformación de de tubos, depósitos el fondo de las de cubas, etc.
264
En la Figura 10.13 presentamos un esquema de calentamiento de baños por tubo sumergido formando bucle, de forma que una parte de los productos de la combustión pueda reciclarse varias veces en el circuito. La evacuación de los excedentes se efectúa al exterior por un tramo también sumergido. La ventaja de esa disposición es la mejora del rendimiento térmico, debido a que el reciclado aumenta el volumen de los gases en circulación, y por tanto su velocidad en beneficio de la mejora de transmisión de calor, con una temperatura inferior en la combustión que favorece la buena conservación del intercambiador. La forma en de el losbaño tuboselpuede ser cualquiera, como su emplazamiento más conveniente, porasí lo que su empleo tiende a generalizarse. Figu ra 10.13 Cuba ca lenta da por tu bo su mergido en bucl e
Respecto a los quemadores, se pueden utilizar, según los casos, quemadores atmosféricos o quemadores con aire a presión, que se montan sobre un extremo del tubo. Los quemadores de antorcha de inducción atmosférica pueden utilizarse teniendo en cuenta que sus características de construcción y la presión de utilización permitan el arrastre de la totalidad del aire estequiométrico. Con el gas natural, ello obliga a utilizar presiones del orden de 1 bar o poner el tubo en depresión, por ejemplo por tiro forzado, para facilitar la admisión de aire secundario. La densidad del flujo térmico es del orden de 20 termias/h.m 2. Los quemadores de aire a presión, aire inductor-gas distendido, o aire y gas a presión sin mezcla previa, permiten alcanzar e incluso sobrepasar una densidad de flujo térmico de 30 termias/h.m2. Estos quemadores pueden montarse herméticos con el tubo, lo que permite a este tipo de instalación responder a las condiciones más bajoestá el punto de vista dedispositivo la seguridad. En este caso,exigentes el quemador equipado de un de encendido automático por chispa a alta tensión y de un sistema de control de llama.
265
El tubo sumergido funciona en presión y el conducto de evacuación puede prolongarse estanco hasta el exterior del loc al o instalarse sobre la cuba. Con el empleo de quemadores de alta velocidad o «jet» se han conseguido elevadas tasas de transferencia térmica, entre 40 y 200 termias/h, con tubos de diámetros mucho más pequeños (25-50 mm), con lo que se consigue, además, un considerable incremento del espacio útil de la cuba. 10.5.3
Operaciones térmicas específicas del gas
Se trata de operaciones térmicas concebidas para ser realizadas con combustibles gaseosos y que no son posibles con otros combustibles. En capítulos anteriores ya hemos definido lo que se entiende por «usos específicos del gas», y hemos detallado la serie de operaciones térmicas en las cuales el gas es insustituible o debe tener prioridad. Repetimos aquí las técnicas basadas en la utilización directa de la llama de gas. Estas son: •
Calentamiento directo a la llama de matrices y moldes de fundición.
•
Esterilización a la llama de conservas de champiñones en lata, en sustitución del tratamiento clásico en marmita de vapor (autoclaves).
•
Calentamiento rápido por medio de quemadores llamados de chorro o «jet» de piezas metálicas. Estos quemadores, provistos de cámara de combustión incorporada, expulsan los productos de combustión a gran velocidad sobre las piezas a tratar, de forma que aceleran enormemente la transmisión de calor.
•
Temple superficial por calentamiento directo de piezas metálicas al soplete.
•
Fabricación de piezas de vidrio por medio de sopletes.
•
Flameado y chamuscado de tejidos, torcidos, etc.
•
Soldadura de plásticos.
•
Oxicorte, soplete de orfebrería.
266
10.6 GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA TEXTIL En la industria textil la utilización de vapor de agua o de agua caliente, representa el 90 % de las necesidades térmicas, entre las que se incluyen las correspondientes a la calefacción y humidificación de naves y locales. Independientemente de las ventajas de que puede beneficiarse la industria textil con el empleo del gas natural como combustible para los casos citados, describiremos a continuación algunos de los procesos de transformación de dicha industria que utilizan la combustión directa de gas natural. 10.6.1 Chamuscado de hil os y tejidos El tratamiento más difundido por acción directa de la llama es el chamuscado que, al eliminar la pelusa de las fibras, contribuye a lograr una superficie más uniforme, más brillante y con mejor presentación. Los quemadores para chamuscado de hilos se reducen a una cámara de combustión cilíndrica por cuyo eje pasa el hilo. Las máquinas de chamuscado de hilo están equipadas con un gran número de quemadores dispuestos en paralelo. Deben alimentarse con una mezcla de aire y gas en quemadores de aire inductor y gas inducido, o en máquinas mezcladoras. El consumo de gas varía de 40 a 90 kJ por km de hilo, en función del peso del hilo (10 a 50 g/km), de su velocidad (350 a 800 m/min) y de la producción horaria (20 a 50 km de hilo/h). El quemador clásico para chamuscado de tejidos consiste en una cámara robusta, de longitud no inferior a la anchura de la pieza a tratar, alimentada por una premezcla de aire y gas. El quemador se dispone perpendicularmente al tejido, produciendo una llama que choca contra su superficie. La velocidad del tratamiento depende del peso del tejido y de la calidad deseada. Para tratamientos corrientes sobre tejidos de 1,70 m de anchura, el consumo resultante de gas natural por kilogramo de tejido tratado oscila alrededor de 0,05 termias para tejidos pesados y de 0,1 termias para tejidos ligeros. Un resultado análogo al del chamuscado se obtiene al someter a los tejidos al contacto de placas metálicas calentadas al rojo por quemadores a gas natural, de pequeña potencia, distribuidos debajo de las placas.
267
10.6.2
Secado mediante cili ndr os
Existen en la industria textil diversos tipos de secadores que, al entrar en contacto con el producto a tratar, determinan la pérdida de la humedad de éste. Estos cilindros pueden calentarse mediante quemadores rampa a gas natural, dispuestos según su eje, bien sea directamente o bien por mediación de una camisa de agua que asegure una homogénea repartición de la temperatura sobre la superficie del cilindro. 10.6.3 Presecado por radiació n Los paneles radiantes a ray os infrarrojos son utilizados frecuentemente como complemento de las operaciones de presecado en máquinas generalmente provistas de otro sistema de calefacción. Este equipo complementario resulta útil bajo un doble aspecto: •
Aumenta la capacidad de producción de un material en explotación;
•
Permite obtener este resultado sin aumentar la carga de la fuente de energía existente, en la mayoría de los casos un generador de vapor.
10.6.4
Polimerización
El calentamiento por radiación ha sido aplicado con éxito a máquinas de polimerización de apresto o resinas pigmentarias. Los polimerizadores comprenden una sección de calentamiento por radiación en la cual el tejido es llevado a la temperatura de tratamiento en dos o tres segundos; a continuación viene una zona de mantenimiento de la temperatura conseguido por convección a través de los productos de combustión y, por último, la polimerización concluye en la parte alta del polimerizador, cuya temperatura es regulable. 10.6.5
Secado por con vecció n
La convec ción natural consiste en ut ilizardirectamenteelcalor de los productos de combustión pro cedentes de quemadores situados bajo el tejido a una distancia suficiente para evitar sobrecalentamientos locales. Los productos de combustión se mezclan con el aire y calientan por convección los productos a tratar.
268
Este sistema se utiliza en algunas máquinas Rama, de velocidad de tratamiento relativamente baja, que justifica este dispositivo sencillo pero suficiente para su capacidad de producción. 10.6.6 Máq ui na Rama Una máquina Rama a convección forzada se compone de varios compartimientos idénticos, de una longitud aproximada de 3 m, incluyendo cada uno su propio dispositivo de calefacción y ventilación. Las máquinas Rama asocian al efecto térmico una acción mecánica de estirado transversal del tejido, cuyos bordes se sujetan lateralmente mediante unas pinzas arrastradas por dos cadenas sin fin, que permiten la traslación del tejido en un plano horizontal. La zona de combustión del gas se encuentra siempre en depresión con respecto al recinto calentado, depresión motivada por los ventiladores de barrido. La combustión se realiza, bien sea en el interior de tubos perforados de acero refractario o bien directamente en una vaina de aspiración de aire fresco y atmósfera reciclada. Existen dispositivos especiales que permiten efectuar el calentamiento directo o indirecto a voluntad del usuario. Un registro especial permite evacuar los productos de la combustión al exterior, a través de una chimenea, o bien introducirlos, total o parcialmente, en el interior de la Rama. La potencia térmica requerida varía entre 120 y 200 termias/h por compartimiento, según sean los tratamientos a realizar y el peso por metro del tejido a tratar. Se consigue dicha potencia por medio de un número variable de quemadores, así como por distintos sistemas de alimentación. La regulación automática de la temperatura se realiza individualmente para cada uno de los compartimientos a través de las indicaciones de un detector situado generalmente frente a los ventiladores de barrido. Las ventajas del calentamiento directo a gas natural son de orden técnico y económico. Ventajas de ord en técnico: •
Espacio reducido: El espacio en una Rama para la cámara de combustión de gas es mucho menor que el del intercambiador correspondiente, lo cual facilita la adaptación de equipos de calefacción directa a gas en los aparatos existentes.
269
•
Gran flexibilidad térmica: la instalación de potencias caloríficas altas, unido a la baja inercia térmica del dispositivo de calentamiento, permiten obtener una rápida variación de temperatura en la cámara de tratamiento, disminuyendo con ello los riesgos de deterioro de tejidos.
•
Simplicidad de construcción y funcionamiento; la construcción de los aparatos se simplifica por la supresión de vainas, chimeneas, intercambiadores, etc., necesarios en el
calentamiento indirecto. Ventaja s d e orden económic o: •
Gastos de inversión reducidos: la simplicidad del procedimiento permite reducir notablemente los gastos, tanto en la adquisición de nuevos aparatos como en la adaptación de los existentes.
•
Gastos de mano de obra bajos: los gastos de explotación imputables al calentamiento a gas son prácticamente nulos, en razón del automatismo de los equipos.
•
Consumo reducido: el consumo de combustible es extremadamente reducido, ya que los productos de la combustión del gas contribuyen íntegramente al calentamiento de la máquina.
•
Gastos de entretenimiento mínimos: los gastos de entretenimiento de los quemadores son prácticamente nulos, así como los de limpieza y conservación de las partes mecánicas internas del aparato, debido a la combustión completa del gas.
•
Mejora de la productividad: la potencia y baja inercia térmica de los equipos de calentamiento directo a gas permiten variaciones rápidas de temperatura, reduciéndose los tiempos muertos que separan las operaciones sucesivas efectuadas a distintas temperaturas, pudiéndose incrementar el número de tratamientos durante una misma jornada.
Ejemplo:
Tratamiento de textiles
Los textiles de todas clases, en naturales, artificiales sintéticos, excepto la lana, son tratados una planta donde sey procede a su blanqueo, tinte y apresto. La capacidad de tratamiento es de 500 piezas de 100 m de longitud por día.
270
El equipo está diversificado en función de los tratamientos realizados, y los aparatos están calentados con vapor, electricidad y gas natural. Aparte de las instalaciones de lavado y tinte, que no describimos aquí, la fábrica está provista de los elementos térmicos siguientes: 1 máquina Rama de calentamiento mixto vapor y gas; 1 «Hot-Flue» calentado por vapor y electricidad; 1 presecador calentado por gas mediante paredes radiantes. Finalmente citaremos otros diversos materiales calentados por gas, pero de menor importancia: estampadora, 1 flameadora.
2
mercerizadoras,
1
Vamos a discutir someramente la Rama y el presecador. La Rama está formada por la yuxtaposición, en longitud, de cuatro compartimientos idénticos. El primero está calentado sólo por vapor, mientras que cada uno de los tres siguientes está equipado, a la vez, de tubos de vapor con aletas y de quemadores de gas. Para el secado hasta 160-165°C el calentamiento se hace sólo con vapor, pero para los tratamientos térmicos de fibras sintéticas hasta 220°C, el calentamiento es mixto: vapor y gas. El calentamiento únicamente con vapor puede evaporar 810 kg/h. La Rama trabaja por convección forzada de aire caliente o, en la marcha mixta, mezcla de aire caliente productosdede8 combustión de por gas.una Cada compartimiento está yequipado ventiladores de reciclado, a razón de 4 por cada lado (Figura 10.14), montados sobre un eje único y accionados por un motor de velocidad de transmisión por polea. Cada compartimiento lleva dos puntos de extracción, a excepción del primero, que lleva solamente uno. Los ventiladores de reciclado descargan sobre un cambiador de calor formado por tubos de aletas, por las cuales circula el vapor. La corriente de aire pasa después por un conducto formando cámara de combustión del quemador, mezclándose con los productos de combustión de éste. Cada uno de los tres últimos compartimientos de la Rama está equipado de dos quemadores antorcha, colocados cada uno en la cámara de combustión por donde circula el aire de reciclado. La potencia total del equipo térmico de gas es de 360 termias (calculado en P.C.I.).
271
Figu ra 10.14 Esquema de la Rame con in dic ación d e sistema de cale ntamiento y situación de los p untos de extracción
Cada quemador antorcha está alimentado con premezcla de aire y gas, producida en una máquina mezcladora. El quemador se enciende por un piloto alimentado igualmente con premezcla. Este piloto lleva un termopar de detección de llama que actúa sobre la válvula de mando electromagnético de la válvula neumática de seguridad del circuito del quemador (Figura 10.15). Figu ra 10.15 Esquema de alimentación de aire y gas de un quemador Rame
272
La válvula motorizada de regulación de mando electromagnético está accionada por un galvanómetro indicador y regulador de temperatura, conectado a un termopar situado en el conducto de aire, después del quemador que, por diferencia con una temperatura de consigna, permite la regulación en tres etapas: todo, progresivo y nada (paro de quemadores). Dicha válvula motorizada está situada en el circuito de aire del quemador, y la presión del aire detrás de dicha válvula actúa sobre una válvula neumática de regulación situada en el circuito de gas. El funcionamiento del quemador está supeditado al de los motores de los ventiladores de extracción y a la presión de alimentación de gas detectada por un presostato de máxima y mínima. Aparte de la regulación de temperatura utilizada en el calentamiento mixto vapor y gas, la Rama está equipada de un sistema de regulación de la velocidad de paso del tejido, en función de la humedad residual a la salida, y que funciona incluso en el caso de calefacción sólo por vapor. El órgano detector es un psicómetro palpador que mide la resistividad eléctrica del tejido húmedo actuando sobre un motor de velocidad variable que permite una variación de paso entre 20 m/mm y 100 m/mm, con aceleración lenta y desaceleración rápida. El presecador colocado antes de la «Hot-Flue» permite bajar la humedad del tejido de 100 a 30 % y tiene una capacidad de evaporación de 180 kg de agua por hora. Completamente calentado por gas, el presecador está equipado con 56 paneles radiantes. Lainfrarroja, transmisión detambién calor seenefectúa en su mayor parte por radiación pero parte por convección del aire caliente y de los productos de combustión del gas. Estos últimos se evacuan mediante un ventilador de extracción. La velocidad de paso se regula en función de la de paso por la «Hot-Flue». La regulación de temperatura se hace por «todo o poco», en función de la medición de temperatura del aire caliente por termopar, que accíona una válvula de mando electromagnético sobre un by-pass de la alimentación en gas de los paneles radiantes. La llegada del gas está condicionada al funcionamiento del extractor. Los paneles se encienden por resistencias eléctricas y no llevan detector de llama.
273
CAPITULO
XI
El Gas Natural en los Hornos de Cal y Ceme nto
11.1 CALCINACIÓN Y CLINKERIZACIÓ N Elprocesodefabrica ción de cal (CaO) consist ebásicamenteenla reacción de carbonatación o liberación del CO 2 de la molécula de carbonato de calcio (CO3Ca) por efecto del calentamiento. CO3Ca
+
Calo r
CaO + CO 2
Esta reacción es fuertemente endotérmica y se desarrolla en la forma que se muestra en la Figu ra 11.1 El tiempo de reacción dependerá de los siguientes factores: • • •
Tamaño de la partícula o piedra caliza. Condiciones de transferencia de calor Presión parcial del CO2 en el reactor.
La calcinación o producción de cal forma parte del proceso de fabricación de clinker, base de la producción del cemento. En el horno cementero, a diferencia del horno de cal, en el cual se producen solamente óxido de calcio, se producen en forma planificada 4 óxidos: CaO(C), SiO2(S), Al2O3(A) y C4AF(F). Figu ra 11.1 Esquema de formación de CaO por CaCO 3 descarbonatación del
277
A partir de estos 4 óxidos, en el interior del horno rotatorio se producenlas reacciones de clinkerización quesepueden graficar en la forma que se muestra en la Figura 11.2 . Figu ra 11.2 Esquema de formación de óxidos en la producción de cemento
Los 4 Compuestos mineralógicos producidos proporcionan las características diferenciales del clínker y los cementos finales producidos en la molienda final, agre gándole el yeso que actúa como retardador de fraguado y las adiciones de los cementos especiales. El desarrollo del proceso ha evolucionado desde la instalación del primer horno cementero, hasta constituir el moderno sistema de producción de clínker que se muestra en la Figu ra 11.3
278
Figu ra 11.3 Siste mas de Producc ión de Clí nker co n Precalcinador y Enfriador de Parrilla
En el Horno Rotatorio, sea cual fuere la forma en que se desarrollen las etapas previas del proceso, siempre se producen las etapas de transición, nodulización, clinkerización y enfriamiento, dependiendo su conformación de las características de la llama, resultado de la forma en que se desarrolla la reacción de combustión, resultando siempre conveniente una llama mas corta y caliente que resulte posible sin afectar la estabilidad del revestimiento (costra) y refractario. En este sentido la formación de llama cónica hueca resulta un objetivo obligatorio. Ver (Figura 11.4)
279
Figu ra 11.4 Esquema de la llama cónica hu eca
11.2 EL GAS NATURAL EN HORNOS DE CAL Los hornos de cal utilizados en la práctica industrial podemos clasificarlos en Horizontales y Verticales. Los Horizontales o Rotatorios se justifican para producciones considerables y resultan obligatorios cuando la caliza utilizada como materia prima decrepita al descarbonatar. Permite la instalación de precalentadores en el ingreso y enfriadores en la salida que recuperan parte del calor del producto, pero requieren fuertes inversiones en captación de polvo en ambos extremos. Considerando que un tubo resulta un pésimo intercambiador de calor, no ofrece buenas perspectivas de eficiencia energética, aún con instalación de levantadores y dispositivos que favorezcan el calentamiento. Los Hornos Verticales tradicionales han sido inicialmente de tipo artesanal, pero la tecnología los ha transformado gradualmente hasta llegar a niveles de diseño y funcionamiento de gran eficiencia en los hornos de doble cuba regenerativos (Figura 11.5).
280
Figu ra 11.5 Horno de Cal de Doble Cuba Regenerativo
MAERZ
281
El uso del gas natural resulta favorable en todos los tip os de hornos respecto a otros combustibles, debido a que los niveles de temperaturas permiten una mayor predominancia de la transferencia de calor por convección, para lo cual a la facilidad de combustión del gas natural y la limpieza de sus gases de combustión resultan muy convenientes. •
En los hornos rotatorios, su baja eficiencia como intercambiadores de calor obliga a alargar su longitud para disponer del tiempo requerido para completar la calcinación de la caliza, la utilización de gas en el quemador principal resulta conveniente peronatural no impide que los consumos específicos resulten relativamente altos si no se dispone de sistemas de precalentamiento y recuperación del calor del producto.
•
En los sistemas de precalentamiento de piedra, el gas natural permite facilitar esta operación, resultandoel tamaño de piedra el factor de mayor importancia. Para la inyección de gas se debe disponer de temperaturas suficientes de ignición para mantenimiento de la combustión.
•
En sistemas de calentamiento y descarbonatación de partículas en suspensión de gases (flash calciner) el uso del gas natural resulta la alternativa de suministro energético más conveniente, pudiendo ubicar varios quemadores en el
reactor. En los hornos verticales, el gas natural representa ventajas adicionales, principalmente por su velocidad de reacción pudiendo ubicar quemadores en cualquier posición y ubicación, facilitando la operación continua del Horno y favoreciendo la homogeneización de la calidad y reactividad de la cal producida. 11.3 APL ICACIÓN PRÁCTICA: CONVERSIÓN DE HORNOS VERTICALES TIPO BATCH EN HORNOS DE DOBLE CUBA REGENERATIVOS. En la Figura 11.6 se muestra un conjunto de 4 hornos verticales que disponen de un plano inclinado para permitir la ubicación de una cámara de combustión residuales.
282
en la cual se quema petróleos
El consumo específico de estos hornos es superior a 2000 kcal/kg siendo la calidad de la cal producida muy heterogénea y de baja reactividad promedio, debido a las dificultades para evitar la segregación del material y calor. Los niveles de producción promedio de cada horno alcanzan 25 ton/día. El proyecto de conversión consiste en transformar 2 de estos hornos en un sistema de Horno de Doble Cuba regenerativos como el mostrado en la Figura 11.5 , aprovechando la disponibilidad de gas natural. Para concretar el proyecto se requiere implementar los siguientes trabajos: •
•
•
•
•
Incorporación de un sistema de control de alimentación continua a ambas Cubas que alterna la dosificación en forma periódica. Implementar de 8 – 10 inyectores de gas y aire de combustión en la zona de reacción, provistos de los controles de operación automática. Conexión de ambos hornos para circulación de la mezcla de gases de combustión y aire de enfriamiento en forma alternativa, en forma simultánea con los periodos de calentamiento y reacción. Adaptación de los sistemas de aporte de aire de enfriamiento y circulación de gases. Implementación de hornos. sistemas de descarga de la Cal producida en cada uno de los
La conversión debe permitir: • • •
Incrementar la producción de cal a 120 ton/día de calidad homogénea y máxima reactividad. Disminución del consumo específico a 850 Kcal/Kg. Disminución del costo de producción por tonelada de cal en más del 100% del nivel actual.
La inversión requerida es de aproximadamente de US$ 750 000 y se estima un tiempo de retorno de la inversión de 6 meses disponiendo de mercado de venta para la cal producida.
283
11.4
EL GAS NATURAL EN EL HORNO CEMENTERO
El Horno Rotatorio Tubular es un pésimo intercambiador de calor, por lo que los sistemas modernos efectúan el precalentamiento del material crudo en torres de precalentamiento en suspensión de gases en contracorriente y la descarbonatación hasta en un 95% en cámaras de precalcinación, en las cuales se logra una combinación ideal de reacciones exotérmicas (combustión) y endotérmicas (calcinación). Para proporcionar el calor de reacción en este reactor de calcinación ideal, el gas natural resulta el combustible ideal porque permite ubicar la llama en la posición exacta y asegurarle total disponibilidad de su poder calorífico. Ver Figura 11.6 . Figu ra 11.6 Cámara de P recalcin ación
284
Por le contrario la zona crítica del horno resulta un reactor ideal de combustión, pero ello no constituye una ventaja para el gas natural sino todo lo contrario. La afiliad de combustión del gas natural determina que la cinética de la combustión sea muy violenta y la llama muy corta, con disponibilidad inmediata de gases de combustión pero baja emisividad, lo cual resulta muy poco favorable para la transferencia de calor por radiación. Al disminuila r lamenor intensidad de transferencia de calor material pory radiación, capacidad de transferencia poralconvección la baja calidad del horno como intercambiador de calor, determina que una mayor proporción se conduzca hacia la parte posterior del horno precalentando y descarbonatando el material en exceso, induciendo al operador a incrementar la alimentación, al no ser suficiente disminuir el tiro. Al llegar esta mayor cantidad de material en proceso a la zona crítica, la escasa transferencia de calor por radiación no resultará suficiente para mantener la temperatura requerida, lo cual provoca un enfriamiento y obliga a reducir velocidad y alimentación. Estas circunstancias determinan la forma de ciclos de variación operativos y afectan la calidad del clínker producido. Las exigencias térmicas del proceso de clinkerización determinan que la utilización de 100% de gas natural no resulte la mejor opción en el caso del quemador principal del horno cementero. Para compensar estas desventajas se puede optar por 2 opciones: •
Mejorar la emisividad de llama mediante el diseño del quemador, procurando ”demorar” la mezcla de combustión.
•
Aprovechar las características del gas natural para utilizarlo en forma combinada con combustible alternos muy difíciles de quemar, tales como pet coke, carbón bajo en volátiles (Antracita), residuos sólidos, petróleos pesados, etc.
285
11.5 APL ICACIÓN INDUSTRIAL: QUEMADORES SIN AIRE PRIMARIO Los fabricantes de quemadores han competido en desarrollar diseños que utilicen para su funcionamiento el mínimo de aire primario, con el propósito de favorecer la mayor recuperación de calor aumentando la proporción de aire secundario caliente para aportar el oxígeno requerido por la combustión. Los quemadores unicanal utilizados con circuitos de molienda directa utilizaban alrededor de 35% aire primario, en el cual se incorporaba el vapor extraído en elde secado. Al instalar circuitos de molienda indirecta y desarrollar quemadores multicanal, se disminuye el aire primario a valores entre 12 y 14%. Los quemadores Swirlax de FLS y la tobera de 3 circuitos de Pillard son los más utilizados en esta etapa. Pillard sustituye la regulación de flujos con válvula tipo mariposa por un diseño que permite hacerlo con el desplazamiento longitudinal de los tubos concéntricos en el quemador ROTAFLAM. El ahorro de energía cinética que consigue permite la adecuada formación de llama con un 7 a 8% de aire primario. KHD decide instalar un soplador para el aire axial (JET) y un ventilador para el radial y alcanza valores de 6 a 8% de aire primario total, considerando también el aire de transporte de carbón. FLS pretende utilizar aire aportado por un soplador para axial y radial, anunciando que su quemador C ENTRAX puede trabajar con 3,5% de aire axial y radial, más el aire de transporte 1,5%). ( Todos estos esfuerzos se han basado en el fundamento y principio general del funcionamiento de todos los quemadores, basado en que la reacción química y el proceso fisicoquímico de la combustión se controlan y dominan con el control de flujos y el aporte de energía cinética contenida en el aire primario. La disponibilidad de gas natural permite eliminar el aire primario, aportando la energía cinética requerida para formación de llama aprovechando el impulso que le proporciona la presión de suministro del gas, utilizando el 100% de aire secundario como aire de combustión.
286
Cuando se trata de quemadores de gas, el aire primario no resulta necesario, pues la energía cinética requerida para controlar la formación de llama puede y debe aportarse con el gas. Utilizar aire primario en un quemador de gas natural resulta innecesario y por tanto inconveniente, al afectar el adecuado control sobre la llama y la recuperación de calor. Las principales ventajas y alternativas de esta innovación tecnológica resultan técnica y económicamente favorables: Ventajas • Máximo aprovechamiento del calor recuperado en el enfriador. • Ahorro de Kw-h al eliminar los ventiladores y sopladores de aire primario. • Aprovechamiento de la energía potencial disponible en el suministro de combustible. • Simplificación del diseño del quemador. • Control operativo más simple y funcional. Alternat iv as • Mejora significativa de consumos específicos de energía térmica (kcal/kg) y eléctrica (kW-h/t). • Manejo de llamas más calientes y cortas. • Utilización eficiente del pet-coke y Antracitas más difíciles de quemar. El gas natural aporta los volátiles pobres en estos • •
combustibles. Utilización del gas con llamas más emisivas. Ampliación de las posibilidades de utilización de combustibles alternativos.
En las plantas industriales el gas natural se suministra a 60 psi, equivalentes a unos 4000 mbar; un soplador de pirojet impulsa aire primario a menos de 1000 mbar. Esta abundante energía cinética no figura en la facturación de la empresa de gas, la cual sólo cobra el poder calorífico del combustible. El ahorro inmediato de energía eléctrica ya resulta considerable. En un quemador pirojet de regular capacidad el consumo de kW-h de los motores del soplador y ventilador utilizados podría ser de alrededor de 35 kW-h. Tomando un costo promedio de 0.06 US$/kW, el ahorro anual por la modificación del concepto funcional del quemador podría representar unos 20.000 US$/año, además de los que involucran el mantenimiento y depreciación de equipos. Instalaciones e instrumentación.
287
Así como en los quemadores de gas resulta absurdo utilizar aire primario, también en los quemadores duales gas-carbón o gaspetróleo se puede y debería eliminar el aire primario, resultando la única condición requerida para ello, disponer de un diseño adecuado de quemador. La excelente disponibilidad de energía cinética con el gas permite considerar muchas alternativas en cuanto a conformación del quemador, similares a las que se han manejado y evolucionado al efectuar el mismo trabajo con aire primario, con laaire salvedad de resultar necesario tener en cuenta que al utilizar primario se dispone de oxígeno adicional, mientras que en el caso de gas, el exceso será de combustible. Esta diferencia puede representar una ventaja adicional en lo referente a la disminución de la generación de NOx. En principio, todos los quemadores diseñados para utilizar aire primario axial y radial, podrían sustituirlo por gas que cumpla la misma función y tarea, aportando la cantidad equivalente de energía cinética, tomando en cuenta la diferencia de densidad entre ambos fluidos. La combinación del quemador ultrasónico de gas con toberas axiales y radiales en la parte central con el flujo de aire de transporte de carbón en la parte exterior anular de un tubo correctamente dimensionado resulta una alternativa simple y funcional (Figu ra 11.7). Figu ra 11.7 Quemador a Gas Kloeckner Humbol d Deutz
288
La utilización del gas como aportante de energía cinética favorece la utilización de combustibles sólidos y líquidos muy difíciles de quemar y combustibles alternos constituidos por aceites residuales tóxicos y peligrosos, asegurando su combustión completa y conversión total en CO 2 y H2O, productos de combustión totalmente inertes. En la Figura 11.8 se muestra el cabezal de un quemador diseñado para utilizar en forma combinada gas axial y aire radial, aportando en forma combinada la energía cinética para conformación de llama, permitiendo utilizar simultánea o alterna combustibles sólidos, líquidos y gas natural. Figu ra 11.8 Quemador con gas y a ire primario s QUIREY
289
CAPITULO
XII
GAS NATURAL EN LA SIDERURGIA Y METALURGIA
En esta actividad de la industria, el gas natural encuentra el mayor número y la mayor diversificación de aplicaciones en las cuales se valoran al máximo sus cualidades específicas. Todos los problemas térmicos que se replantean pueden justificar su empleo. En este capítulo se recogen las observaciones efectuadas y las informaciones recibidas de las utilizaciones más características, como son: • Reducción directa del mineral. • Altos hornos y cubilotes de fusión de hierro fundido. • • • •
Hornos Martin Siemens y hornos eléctricos. Hornos de de aceros recalentamiento. Hornos de tratamientos térmicos. Atmósferas controladas.
12.1 REDUCCIÓN DIRECTA DEL MINERAL El objetivo perseguido es la reducción del mineral por la acción directa de un gas reductor, sin pasar por los altos hornos, donde el elemento reductor es el coque. El procesamiento del gas natural mediante reformación catalítica permite disponer de Hidrógeno y Monóxido de Carbono para ser utilizados como reductores del Hierro para producción del Hierro Esponja En numerosos países se han efectuado investigaciones sobre diversos procesos. Sin embargo, aunque varios de dichos procesos hayan pasado del estado de investigación y hayan sido objeto de instalaciones o de ensayos industriales, ninguno de ellos ha conducidopiloto todavía a realizaciones industriales económicamente útiles, salvo en condiciones muy especiales. Esta situación puede evolucionar en sentido positivo en el curso de los próximos años. 12.2 AL TOS HORNOS La utilización del gas natural en los altos hornos conoce un gran desarrollo en países que disponen de cantidades importantes de ese combustible. Paralelamente a la inyección de gas natural, se ha desarrollado el enriquecimiento del aire por oxígeno, cuya concentración, que en término medio oscila entre 21.7 y 23 %, puede llegar a alcanzar en ciertos casos el 27 0/o y hasta el 29 %. Cada 1 % de oxígeno añadido al aire, hasta la concentración de 27 %, aumenta la producción del alto horno en un 2.5 %. Si al mismo tiempo se incrementa la inyección de gas natural en las toberas, el consumo específico de coque disminuye rápidamente, pudiendo en algunos casos obtenerse una economía de coque igual a 1 - 1,25 kg/m3.
293
Las tendencias actuales para una mayor valorización de dicha técnica son: •
Aumento de la temperatura del aire,
•
Inyección simultánea de oxígeno,
•
Empleo simultáneo de gas y pulverización del fuel-oil con el gas,
•
Cracking preliminar del gas, con inyección de los productos de
fuel-oil,
con
eventual
disociación encima del nivel de las toberas. Esta última técnica permitiría proporciones de inyección superiores a las obtenidas por la inyección del gas natural bruto en las toberas. La elevada proporción del gas natural en hidrógeno puede favorecer la reducción del mineral. 12.3 HORNOS DE FUSIÓN 12.3.1 Cubilotes de fusión de hierro fundido En diversos países se han realizado instalaciones inyectando gas natural en los cubilotes para la fabricación de hierro fundido, sustituyendo parcialmente, con éxito, al coque. El interés económico es considerable a causa de la disminución de coste del combustible y del aumento de la capacidad de producción del cubilote. Se atribuye gran importancia a la ausencia de azufre del gas natural. El gas natural es inyectado en el cubilote por encima de las toberas de inyección de aire. Gracias al funcionamiento mixto gas natural-coque, la capacidad de producción del cubilote puede casi doblarse. El consumo de calor, que es del orden de 950 termias por t de fundición líquida empleando únicamente coque, ha podido reducirse a alrededor de 600 termias/t después de pasar a la marcha mixta coque-gas. El gas natural encuentra, además de su empleo en los cubilotes, grandes posibilidades en otros servicios, tales como: • • • • • •
Secado de arenas de moldes. Cocción de moldes. Oxicorte. Calentamientotérmicos: de cucharas de colada. Tratamientos recocido de la fundición ferrítica y perlítica. Generación de gas de atmósferas controladas.
294
Ejemplo: Entre las realizaciones recientes efectuadas en USA, Rusia y Holanda, podemos citar en esta última la fundición de Leiden de la Koninglijke Nerderlandsche Grofsmederij, especializada en la fabricación de lingoteras de acerería (peso unitario 20 t) donde, uno tras otro, dos cubilotes de 1,30 m de diámetro se han equipado para la marcha mixta coque-gas. Las lingoteras se cuelan a 1 300° C. L a temperatura del canal se sitúa alrededor de 1 400 a 1 430° C, pudiendo alcanzar 1 450° C. Gracias a pasar al gas natural en marcha mixta con el coque, los cubilotes de 12 t/h funcionando con coque solo, produjeron 22 t/h en la marcha mixta. También se han efectuado ensayos con pequeños cubilotes para un diámetro de 600 mm, obteniéndose una producción de 4 t/h, mientras que para 800 mm de diámetro se obtuvieron 6 t/h. El consumo de coque, antes del empleo de gas, era de 130 kg/t, es decir, 960 termias (PCS) por t de fundición líquida. El rendimiento térmico estaba comprendido entre 30 y 35 %. Después de incorporar el gas natural, el consumo de coque para una producción de 25 t/h es de 40 kg/t de fundición, con un consumo de gas natural de 30 Nm3 por t (poder calorífico del GN,7 560 kcal/Nm3). El consumo térmico específico se sitúa entre 520 y 640 termias por tonelada. Entre las mejoras se pueden citar: • Disminución del contenido en azufre del hierro colado. Las pérdidas en silicio y manganeso eran idénticas a las encontradas en los cubilotes empleando únicamente coque. •
Mejor calidad de la fundición obtenida.
•
Ausencia de polvo o de humos visibles en la chimenea, es decir, reducción de la polución.
•
Entre las mejoras económicas podemos citar:
•
Economía considerable del coque, lo que representa una disminución notable sobre el precio de coste de la colada y un aumento en el rendimiento térmico.
•
Menor desgaste de los cubilotes. El precio de coste del combustible por tonelada de fundición se reduce aproximadamente a la mitad.
•
295
• •
Se dobla la producción y se incrementa la ag ilidad. La explotación es económica.
12.3.2. Hornos de acero Martin Siemens Para obtener en un horno Martin Siemens buenas condiciones de calentamiento, es preciso que se cumplan las cuatro condiciones siguientes: •
Caudal suficiente de combustible;
•
Posibilidad de puertas; evacuar los humos sin producirse excesos de presión en las Llama de temperatura elevada y de fuerte poder emisivo, particularmente durante el refino; Gran rapidez de mezcla del combustible y comburente.
• •
La temperatura teórica de combustión de la llama de gas natural, comparada con la del fuel-oil y gas de gasógeno, en proporciones estequiométricas, con aire precalentado a 1 200° C, es la siguiente:
A pesar de que las temperaturas de combustión son muy próximas entre los distintos combustibles, el gas natural tiene menor poder emisivo, por lo que en el momento de las fases de final de colada y afino, donde los intercambios por radiación tienen importancia, es necesario aumentar el poder emisivo del gas natural, cuya llama, naturalmente, es menos luminosa, bien añadiendo un combustible más rico en carbono, bien efectuando un cracking parcial del metano que aumente la luminosidad por la presencia de partículas de carbono incandescentes. Actualmente, la solución adoptada en las plantas que disponen de gas natural y fuel-oil consiste en efectuar una combustión mixta empleando la presión del gas para pulverizar el fuel-oil. Estos quemadores ser alimentados con gasal gas a alta presión:4 a 8 kg/cm2.deben La proporción de fuel-oil añadida es de un 20 a 30 % durante la primera fase, para aumentarla a 4050 % en la colada y afino.
296
Otras técnicas de utilización del gas natural solo, en los hornos de fusión del acero, están en experimentación con resultados prometedores, añadiendo oxígeno en la combustión o efectuando un cracking previo del gas. En numerosos países la importancia relativa de los hornos Martin Siemens para la fabricación del acero está en regresión, debido al desarrollo de los convertidores básicos al oxígeno. 12.3.3. Hornos d e fusión eléctr ico s La utilización desorprendente, gas natural se en ha los revelado hornos eléctricos, aparentemente en ciertosaunque casos extremadamente interesante. El principio es muy sencillo: se introduce un quemador de gas natural-oxígeno en el interior del horno eléctrico, sea por la puerta de trabajo o por la de precalentamiento (aproximadamente una hora antes del cebado) y, posteriormente, como complemento del caldeo eléctrico después de la puesta en servicio de éste. Ejemplo: Los resultados de explotación de un horno eléctrico de 8-10 t, después de varios meses de funcionamiento, en marcha normal y empleando el calentamiento con gas-oxígeno, fueron los siguientes:
Estos resultados se obtuvieron únicamente en marcha de noche. En marcha continua, los tiempos de colada pueden reducirse, obteniendo regularmente 6 coladas en 24 h.
297
12.4
HORNOS DE RECAL ENTAMIENTO
La adaptación de estos hornos al gas natural, tanto si se trata de hornos de empuje para laminación, como hornos para forja, hornos de solera móvil u hornos de solera rotativa, no presenta ninguna dificultad. A temperaturas inferiores a 1.000 ° C, el intercambio de calor se realiza más por convección que por radiación; la menor luminosidad de la llama de gas no entraña, en este caso, ninguna disminución de rendimiento respecto a otros combustibles. Para temperaturas superiores a 1 000° deseable cierta luminosidad de la llama, en particular en Closeshornos de calentamiento de tochos, lingotes, slabs y palanquilla, en los que la insuficiente radiación de la llama debe compensarse por una radiación acrecentada de la bóveda y de las paredes del horno, cuya temperatura debe ser más elevada y la pérdida calorífica más importante. La utilización del gas natural da la posibilidad de una regulación precisa de la combustión y permite obtener el régimen más económico con la regulación aire-gas correspondiente a las óptimas condiciones del tratamiento (atmósfera neutra o con ligera falta de aire). Además, permite reducir la temperatura de evacuación de los productos de la combustión hasta un valor próximo al punto de rocío, sin que las partes metálicas frías sufran riesgos de corrosión. Los hornos normal de recalentamiento prácticamente de atmósfera y, por tanto,son, oxidante, puesto todos, que los productos de combustión circulan alrededor de las piezas a calentar en el laboratorio del horno. El calentamiento en atmósfera normal tiene el inconveniente de provocar una oxidación superficial del metal, tanto más importante cuanto mayor sea la temperatura y la duración de la operación. Este inconveniente resulta menor si la capa de óxido formado no es adherente (cascarilla) y se desprende fácilmente al manipular la pieza a la salida del horno. Resulta diferente si dicha capa es lo suficientemente adherente para exigir una operación de descalaminado. Se han realizado numerosos trabajos para estudiar las condiciones de formación de óxido y las características de adherencia, pero sus resultados no son concluyentes. En la práctica, esos fenómenos vienen influenciados por numerosos parámetros, principalmente por la composición del metal tratado y el aspecto de su superficie. En particular, fenómeno. los aceros aleados son más sensibles a este
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El interés principal de la conversión de los hornos de recalentamiento al gas natural reside en la posibilidad de mejorar las condiciones del calentamiento mediante quemadores apropiados, que producen una forma, unas dimensiones y un poder emisivo de la llama adecuados, y una combustión sin exceso de aire que parece juega un papel importante en la formación del óxido y sus condiciones de adherencia. La elección de quemadores intensivos (de llama corta) ha permitido aumentar en proporciones importantes la capacidad de producción de esos hornos. Los hornos especialmente proyectados y dotados de quemadores radiantes múltiples situados en la bóveda, parecen llamados a tener gran desarrollo. El gas natural está especialmente adaptado para su aplicación en hornos de recalentamiento, tanto desde el punto de vista de la perfecta realización de la combustión como desde el punto de vista del control y conducción de los hornos. Los resultados obtenidos en la conversión al gas natural han permitido mejorar: • • • •
La conservación de los equipos, El rendimiento térmico, El aumento de la potencia, La calidad de los productos (pérdidas al fuego por oxidación).
Debemos mencionar aquí ciertas soluciones adoptadas para efectuar un calentamiento, sin oxidación, en atmósfera normal (citada al hablar de la recuperación del calorniveles de los elevados productos de combustión), cuando deben alcanzarse de temperatura (1 300° C) y presentar a la laminación aceros perfectamente limpios (sin cascarilla). El principio es el siguiente: una atmósfera de productos de combustión permanece neutra o reductora para el acero, si las relaciones CO2/CO y H20/H2 son inferiores a todas las temperaturas de las zonas del horno y a los límites óxidoreductores a las mismas temperaturas. Esta condición se alcanza con el gas natural cuando la combustión se realiza con el 50-55 % del aire teórico. Pero en dichas circunstancias no es posible alcanzar la temperatura de 1 300° C, a menos que el aire se introduzca a 900° C (con gas frío) o con aire a 700° C y gas a 600° C. Esta última solución es la que se adopta normalmente, y los productos de combustión salen de zona de con alta más temperatura, utilizan después que de terminar su la combustión aire, para se el calentamiento del aire y del gas a las temperaturas exigidas, mediante recuperadores metálicos de calor.
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Esta solución, estudiada especialmente para el trefilado del acero, puede encontrar aplicación en las forjas y laminadores modernos, donde se busca la economía del metal, la conservación de utillajes costosos, la precisión y el buen aspecto de las superficies de las piezas terminadas. La economía del metal basta sobradamente, en los aceros finos y especiales, para compensar el ligero aumento de consumo con relación a un horno tradicional. Ejemplos: A) Horno de empuje de 100 t/h de potencia, para tratar palanquilla de 83 x 83 mm de 10 m de longitud para laminación de redondos de 5 a 25 mm de diámetro. Características del horno: Dimensiones Longitud Ancho Alto
Totales 33 ni 12,6 ni 4,5 ni
Utiles 18,5 m 11 ni 1,4 a 0,7 ni
El horno tiene dos zonas de calentamiento: Una zona de calentamiento principal, que comprende los 2/3 de la longitud del horno. Una zona de igualación final. La solera está inclinada 8° sobre la horizontal con objeto de facilitar el avance de las palanquillas. La bóveda es del tipo suspendida. La zona de calentamiento dispone de 10 quemadores en posición frontal. La zona de igualación de 14 quemadores. Los quemadores son de inyección de gas y aire en la boca del quemador, sin mezcla previa. Los productos de la combustión circulan en contra corriente del avance de las palanquillas, y se evacuan bajo la solera en la parte posterior del horno en una galería que las conduce a un recuperador. El aire de combustión se recalienta a 450~500° C, circulando en un recuperador metálico vertical. La regulación automática es independiente para cada una de las dos zonas de calentamiento. Está constituida por cuatro tomas a radiación total, repartidas dos a dos en cada zona del horno; dos de ellas conectadas a un registrador de temperaturas, las otras dosestán accionan el dispositivo de regulación propio a cada parte del horno. Las temperaturas medidas y reguladas son las del ambiente del horno.
300
Un dispositivo de proporción de mezcla regula la constancia de la relación aire-gas para el conjunto de quemadores, midiendo el caudal de aire caliente que actúa como fluido motor en la regulación. Dos manómetros controlan y regulan la presión del horno actuando sobre el registro de tiro. La seguridad interviene en caso de falta o exceso de presión de aire o de gas, en caso de sobrepasar las temperaturas límites. El recuperador está protegido, en caso de sobrecalentamiento, por la admisión automática de aire suplementario de enfriamiento a la entrada del recuperador. Una circulación de agua enfría la viga soporta curva bóvedadeentre las dos enfríaque también los la seis tubosdedelaempuje la entrada dezonas, la cargay al horno: el caudal de agua es de unos 40-50 m3/h. Los datos de explotación son los siguientes: Combustible: gas natural. Presión del gas en los quemadores: 250 mm c. a. Temperatura del horno: 1 240° C Capacidad máxima de producción: 100 t/h Caudal térmico máximo de los equipos de calentamiento: 50 400 termias/h Caudal térmico medio: 23 500 termias/h Caudal máximo de aire caliente: 48 500 m3/h Tiempo de elevación de temperatura (horno frío): 72 h Modo de utilización: dos turnos de 8 h Tiempo de calentamiento de las palanquillas: 1 a 2 h, según los perfiles fabricados. Consumo específico para el conjunto de fabricaciones: 440 termias (PCI)/t Potencia eléctrica instalada: 20 000 kW Potencia media consumida: 12 000 kW Alimentando el horno los trenes de laminación (trabajando automáticamente a gran velocidad) es necesario un gran sincronismo entre ambos elementos. Es igualmente necesario que la calidad del calentamiento y las temperaturas en el acero, de una palanquilla a otra, sean constantes. Es necesario evitar la pérdida de material buscando una formación de calamina tan baja como sea posible: en fin, los paros por accidente y por cambios de fabricación, las puestas en marcha, el soldado de las palanquillas porsubida una subida temperatura paros, así como una rápidaexcesiva en las de nuevas puestasenenlosmarcha, exigen un combustible fácil de regular y potente, lo que el gas natural ha permitido alcanzar y mantener.
301
B) Horno de empuje, tratando 10 t/h, de palanquillas de 85 x 85, cortadas por oxicorte a una longitud máxima de 2,50 metros para laminación de redondos de 10 mm a 33 mm de diámetro. Características del horno: Horno de bóveda suspendida de 20 m de largo y 4,8 m de ancho, permitiendo el tratamiento de palanquillas de 2,50 mi de largo. La carga se efectúa por un dispositivo de empuje de 15 t, actuando sobre el conjunto de palanquillas y desplazándolas una distancia correspondiente al ancho de una de ellas, después de haber descargado por la lateral parte delantera del deslizar horno una pieza mediante un empujador que la hace paralelamente a la pieza contigua, sobre una rampa, y a través de una abertura situada frente al empujador lateral. El calentamiento se efectúa mediante 4 quemadores colocados en posición frontal del lado de descarga del horno de una potencia unitaria de 1 000 termias/h. Dichos quemadores están alimentados con gas natural a una presión de 80 mm c. a., reducida en un regulador de presión, a partir de la red de distribución, trabajando a 3 000 mm c. a. Los productos de combustión ligeramente oxidantes (5 a 15 % de exceso de aire) recorren el horno a contra corriente de la carga. No hay recuperador de calor sobre los humos. El encendido de los quemadores es manual. La regulación automática tiene por objeto asegurar los valores de consigna del orden siguiente: Temperatura del horno, pudiendo estar comprendida entre 1100 y 1 300° C; • Presión del horno igual a 8 Pa ± 1 Pa; para conseguirlo, la regulación actúa sobre: • Caudal de aire de combustión, • Caudal de gas, • Tiro. •
Los caudales de aire y gas se regulan por bielas acopladas a servomotores de aire comprimido, accionadas a partir del armario de regulación. La relación aire-gas, fijada por un operador de relación, permanece constante. El tiro está regulado por un registro de humos accionado también por servo-motor de aire comprimido.
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Los caudales de aire y gas se controlan por la medición con diafragma. Estos valores permiten una autorregulación respectiva del caudal de aire y de gas, especialmente en caso de variación de la presión o tiro. Los datos registrados permanentemente son los siguientes: Caudal de gas Caudal de aire Temperatura del horno Presión del horno El consumo correspondiente mes permitió de trabajo, tratando 1 500específico, t, fue de 720 termias (PCI) aporunt. Ello una mejora del rendimiento de un 20 % y una notable mejoría de las condiciones de trabajo. C) Horno de solera móvil para recalentar lingotes de 280 a 200 t para forja. El esquema siguiente (Figura 12.2 ) representa al horno. El cuerpo del horno o laboratorio está formado por un blindaje metálico estanco, reforzado por una estructura metálica de perfiles laminados. La cara interna del blindaje está provista de dispositivos de anclaje que mantienen el revestimiento refractario en su sitio a todo lo alto del horno. Los muros están formados por tres capas de materiales: •
Refractario ligero (densidad 0,9),
•
Aislante,
•
Calorífugo, de un espesor global de unos 400 mm
Los apoyos de las paredes, situados a un lado y otro de la solera móvil, están hechos de elemento refractario y comprenden dos series de seis canales de evacuación de humos repartidos a todo lo largo del horno. Dos colectores laterales blindados y calorifugados interiormente conducen los humos a la base del recuperador, situado muy próximo a la parte posterior del horno. La bóveda es del tipo suspendida, para la cual se emplearon refractarios poco densos y en capas delgadas. Está recubierta de una capa aislante limitando las pérdidas de calor. Una pantalla, colocada encima, protegeabierta. a la bóveda de la radiación de la puerta cuando ésta permanece
303
La solera está concebida para soportar las pesadas cargas previstas. El principio de la construcción del carro recuerda el de los vagones que soportan cargas pesadas o el de los pórticos de grúa de los puertos: está apoyado sobre cuatro grupos de dos ruedas de gran diámetro, con objeto de asegurar un buen reparto de los esfuerzos, evitando así las incalculables sobrecargas locales que se producen en las ruedas cuando se reparten uniformemente a lo largo de la solera montadas de manera rígida sobre ésta. El carro lleva una serie de cuadros metálicos que no le son solidarios y que pueden dilatarse individualmente sin reacción sobre aquél. Dichos cuadros están recubiertos, parte superior, de unadechapa gruesa que recibe la obraendesurevestimiento refractario la solera. La capa superior de la misma está formada por ladrillos resistentes a las cargas. Todo el perímetro de la solera está formado por hormigón refractario. El calentamiento del horno se efectúa por 26 quemadores de gas del tipo de combustión a gran velocidad (quemadores «jet») con aire caliente (350°C) y gas a presión. Están colocados en cada lado del horno agrupados en dos hileras: • •
Una superior, próxima a la bóveda, Una inferior, sensiblemente al nivel de la solera. La gran velocidad de ejecución de los productos de la combustión asegura una excelente circulación interna, favorable a una buena homogeneidad de la temperatura de la carga. Figu ra 12.2
Horno d e solera móvil p ara calentamiento d e lingot es de 200 toneladas
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La temperatura de la carga está controlada por un registrador potenciómetro conectado a seis tomas fijas situadas alrededor del horno (más dos utilizadas para el recuperador de calor sobre los humos). Para el calentamiento de los lingotes, se limita la temperatura máxima del horno y permanece constante durante la igualación. La regulación es del tipo clásico de acción proporcional e integral, recibiendo los impulsos de dos cañas pirométricas colocadas a través de la bóveda. Dichos reguladores reducen progresivamente el caudalaire-gas de los dos fluidos, gas y aire, aproporcionalmente. La relación se mantiene constante todos los regímenes gracias a dos válvulas motorizadas, acopladas, que en función de las impulsiones recibidas del regulador de temperatura, actúan simultáneamente sobre el caudal de combustible y sobre el caudal de aire. La regulación de la presión es indispensable para asegurar una buena igualación de la temperatura: una ligera sobrepresión a la altura de la solera se mantiene gracias a un regulador que actúa sobre el registro de tiro de la chimenea. La potencia térmica instalada es de 8 000 termias/h, correspondiente a un caudal de gas natural de Lacq de unos 900 Nm3/h. Dos lingotes, uno de 90 t y otro de 110 t calentados en dicho horno, dieron los siguientes resultados de explotación: Lingote de 90 t: •
Temperatura de entrada (en la superficie): 560° C en la parte superior. 450° C en el piso (solera).
•
Subida a 1 255° C (temperatura superficial): 2 h
•
Mantenimiento a 1 255° C: 15 h
Lingote de 110 t: •
Temperatura de entrada (en la superficie): 500° C en la parte superior. 420° C en el piso (solera)
• •
Subida en temperatura Mantenimiento a 1050° en C: 3dos h fases Subida a 1050 C: 1 h Subida a 1255°C: lh Mantenimiento a 1 255° C: 18 h
0
• •
305
En los gráficos de las Figuras 12.3 y 12.4 , la curva 1 señala la temperatura de la caña pirométrica del horno y la curva 2 la del caudal de gas natural para el lingote de 90 t. Las curvas 3 y 4 dan las mismas características para el lingote de 110 t. Los consumos de gas fueron los siguientes: Calentamiento lingote de 90 t: 4 900 m 3 Calentamiento lingote de 110 t: 6 500 m 3 Pérdidas a 1 250° C (en bóveda): 150 Nm 3/h Figu ras 12.3 y 12.4 Perfil de temperatura: Calentamiento de lin 110 t
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got es de 90 t y
12.5 HORNOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS Bajo esta denominación se agrupan una serie de operaciones que comportan un ciclo más o menos largo y complejo de fases sucesivas de calentamiento y enfriamiento. La característica esencial de ese ciclo es la precisión, cuyas exigencias van creciendo a medida que los imperativos de calidad son más rigurosos y las tolerancias de fabricación más estrechas. Esta precisión, que supone respetar reglas estrictas, debe conseguirse, en particular, en dos campos: •
Precisión de la temperatura
No se trata solamente de alcanzar y mantener una temperatura máxima, con pocos grados de diferencia, en un determinado momento de la operación, sino más bien de respetar una cierta curva de temperatura en función del tiempo, en un ciclo operativo, que podrá durar varias horas o varios días. La docilidad del gas natural lo convierte en combustible particularmente apto para adaptarse a las exigencias del ciclo operatorio de este tipo de horno. No sólo permite obtener y mantener una regulación precisa de la combustión, sino dividir la zona de calentamiento en estrechas franjas, a fin de suministrar en cada punto del horno y en cada instante, el aporte de calor necesario y suficiente. •
Precisión de la atmósfera
En toda operación tratamiento pueden producirse, paralelamente a las de acciones físicas térmico perseguidas, reacciones de naturaleza química, a veces perjudiciales, y a veces útiles, que es necesario poder controlar. Se trata, corrientemente, de la acción de los productos de la combustión sobre las piezas en tratamiento. La pureza del gas natural, especialmente la ausencia de azufre, constituye un factor importante que permite eliminar gran parte de las reacciones parásitas y perjudiciales. La supresión de la acción agresiva de los productos sulfurosos puede, en ciertos casos, imponer la utilización del gas natural para tratamientos que sería difícil o imposible realizar correctamente con otros combustibles. Por otra parte, la composición constante del gas permite un ajuste preciso de la combustión, que puede ser mantenido o modificado a lo largo del ciclo, de forma que las posibles reacciones de los productos de la combustión sean regulables con precisión.
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En el caso en que, sin embargo, sea necesario proteger los productos tratados de toda reacción, o de provocar reacciones positivas de la atmósfera, el gas aporta una solución particularmente elegante, bien sea por calentamiento de los hornos a través de tubos radiantes, bien sea por la producción de atmósferas neutras de protección o atmósferas activas de tratamiento. Esta contribución es tanto más apreciable debido a las exigencias crecientes de calidad, puesto que un gran número de tratamientos deben hacerse bajo atmósfera controlada. Teniendo en cuenta estas consideraciones, se pueden agrupar losHornos hornosde deatmósfera tratamiento térmico en dos grupos: normal Hornos de atmósfera controlada
• •
Los primeros se utilizan siempre que la acción de los productos de la combustión sobre las piezas a tratar pueda considerarse despreciable o tolerable. El gas natural permite, mejor que cualquier otro combustible, mantener en el curso de la operación térmica la calidad de atmósfera que más se adapte a los productos tratados y a los fines perseguidos. Los segundos son utilizados cada vez que las acciones de los productos de combustión: oxidación, decarburación, etc., sean incompatibles con las calidades de los productos a tratar. En tales hornos, los recintos para el tratamiento deben estar separados de los recintos para la combustión, realizándose el intercambio de calor entre ellos por conducción y radiación a través paredes quecasos los separan. Dichas pueden ser las de de las muflas, en los en que el recintoparedes de tratamiento esté en el interior del de combustión, o de tubos radiantes, en el caso inverso, en que el recinto de combustión esté en el interior del de tratamiento. En ambos casos, el gas natural permite una regulación de los quemadores muy próxima al estequiométrico y, por lo tanto, de rendimiento térmico óptimo. Además, los dispositivos de recuperación de calores perdidos podrán ser utilizados en las mejores condiciones, gracias a la limpieza y pureza del gas natural, para alcanzar el mejor balance térmico del conjunto. En el aspecto tecnológico no hay diferencias fundamentales entre los distintos tipos de hornos utilizados para los tratamientos térmicos [con gas natural], que podrán ser, según los casos, de atmósfera normal o de atmósfera controlada, sin que debanConmodificarse sus estos disposiciones generales. respecto a sensiblemente otros combustibles, últimos vienen, en efecto, determinados esencialmente por las dimensiones y peso de los productos a tratar, la capacidad de tratamiento y los dispositivos de alimentación y circulación, etc.
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Vamos a hacer una breve descripción de los distintos tipos de hornos y su adaptación al gas natural. Hornos de solera fija o móvil Estos hornos tienen un recinto o laboratorio de caldeo fijo, de formas adaptadas a las dimensiones, forma y naturaleza de las piezas, las cuales permanecen en posición fija durante toda la duración del calentamiento. La solera del horno puede ser fija, introduciendo sobre la misma las piezas a tratar, o móvil, a fin de facilitar las operaciones de carga y descarga fuera del horno. El calentamiento puede hacerse en atmósfera normal o controlada. •
En el primer caso, los quemadores están repartidos alrededor del laboratorio a uno o varios niveles, a fin de regularizar la homogeneidad del caldeo de la manera más perfecta posible. La múltiple división de los puntos de calentamiento posibles con el gas, presenta a este respecto numerosas ventajas. Se pueden utilizar quemadores de todos los tipos: a inducción con fluido motor aire o gas, o a alimentación separada del aire y del gas. A veces, estos hornos están equipados con quemadores mixtos gas natural-fuel oil, permitiendo el empleo de uno u otro de dichos combustibles.
•
En el segundo el calentamiento en atmósfera exige, bien la caso, interposición de una mufla aislandocontrolada la carga, bien el empleo de tubos radiantes para el caldeo. Esta última solución específica de los combustibles gaseosos permite, disponiendo juiciosamente los tubos en el laboratorio, obtener extraordinaria homogeneidad de calentamiento. Los quemadores que equipan los tubos son quemadores de inducción o, lo que es preferible, quemadores de alimentación separada, que permiten obtener más fácilmente una llama larga, asegurando una mejor reparación de temperaturas a lo largo del tubo. Existen tubos radiantes con recuperación.
Hornos de campana Como en los hornos de solera fija, la carga permanece fija respecto al horno durante toda la duración del tratamiento. Sin embargo, su introducción se efectúa, no por desplazamiento de la carga, sino por desplazamiento horno: éste halla formadoy por una campana que puede del desplazarse porse puente-grúa colocarse encima de la carga, la cual queda así cubierta para iniciarse el proceso de calentamiento.
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Una campana sirve generalmente para varias bases, a fin de asegurar una utilización metódica del conjunto: por ejemplo, una base está en enfriamiento, otra en calentamiento y la otra en carga. El horno o campana pasa sucesivamente de una a otra base, obteniéndose así una utilización casi continua del equipo. Estos hornos pueden ser de calentamiento directo (atmósfera normal) o indirecto (atmósfera controlada). En este último caso, es frecuente la utilización de tubos radiantes. Como puede comprenderse, el gas se adapta especialmente bien a ese de horno, debido principalmente a ladispone sencillezdey ligereza deltipo equipo de quemadores. Cada base tomas de alimentación en aire y gas, sobre las cuales es fácil de conectar el horno mediante tubos flexibles, para su funcionamiento. Los quemadores pueden ser de diversos tipos, pero los más corrientes son los de alimentación separada de aire y gas. Es muy fácil, con el gas natural, asegurar automáticamente un programa predeterminado de calentamiento. La aplicación más corriente de ese tipo de horno es el recocido de chapas en placas o en bobinas y el recocido de alambre en bobinas. Una variante es el horno con elevador, en el cual las bases móviles se introducen en la campana fija. Hornos continuos o túne l Existe diversidad en categoría de hornos. Los hornos una túnelgran se caracterizan poresta el desplazamiento de la carga con relación al dispositivo de calentamiento. Este último está formado por una galería fija de forma rectilínea o circular (a veces en forma de U), en la que están dispuestos sobre toda su longitud o parte de ella los elementos calefactores, es decir, los quemadores. Estos están colocados en las paredes laterales o en la bóveda. Las piezas a tratar recorren la galería, entrando frías por una extremidad y saliendo por la otra a una temperatura variable, según el tratamiento. El cielo de temperaturas está impuesto por la naturaleza del tratamiento, y el horno, para ajustarse al mismo, puede comprender: •
Una zona perdido de precalentamiento progresivo, recuperación del calor de los productos de la por combustión que circulan en contracorriente.
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•
Una zona de calentamiento.
•
Una zona de igualación.
•
Una zona de enfriamiento.
Los hornos continuos o túnel pueden ser de caldeo directo o indirecto: en este último caso el empleo de tubos radiantes es la solución más interesante. Corrientemente, estos hornos están equipados con recuperadores para el precalentamiento del aire de combustión. Ejemplos: A) Instalación de tratamientos térmicos de piezas de forja en las factorías de Simca, constituidos por 2 líneas de temple y revenido y 2 líneas de normalización y recocido isotérmico. Cada línea de temple y revenido comprende: Un horno de temple. Constructor: Horno «Incandescent». Longitud • útil Ancho• útil •Ancho entre pies derechos • Temperatura máxima Capacidad • de tratamiento
5 520 mm 915 mm 1 280 mm 900 ° C 1 t/h
El horno está dividido yenzona tres de zonas: Zona de precalentamiento, zona de calentamiento mantenimiento. Cada una de las zonas está equipada con 12 quemadores del tipo de aire insuflado: caudal máximo de cada quemador: 3 m 3/h gas y 29 m3/h aire; presión del gas en los tubos de alimentación de cada 1/2 zona: 200 mm c. a.; presión de aire: 350 mm c. a. El tanque de temple al agua contiene 14 000 l. Dicha agua se renueva en circuito cerrado por medio de una bomba capaz para un caudal máximo de 150 m3/h y de una altura manométrica de 20 mi de columna de agua, asegurando la agitación necesaria para conseguir un temple conveniente. El agua se enfría pasando a través de un refrigerador tubular a razón de 150 ni3/h. La instalación comprende también un tanque de temple al aceite, de características idénticas al tanque de temple al agua, pero lleva, además, dos agitadores en la cuba. Un horno de revenido. Constructor horno: «Incandesent».
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Caudal máximo de cada quemador 5,1 Nm 3 • Longitud útil 9 160 mm • Ancho útil 1 580 mm • Ancho entre pies derechos 1 800 mm • Temperatura máxima 700 ° C El horno está igualmente dividido en tres zonas: zona de precalentamiento, zona de calentamiento y zona de mantenimiento. Cada una de esas zonas está equipada con seis quemadores de aire insuflado y de aire de dilución periférico. Dadas las bajas temperaturas de funcionamiento del horno, el aire de dilución previsto sobre cada quemador tiene por objeto uniformizar la temperatura en todo el laboratorio del horno, favorecido por seis ventiladores de circulación colocados en la bóveda. La regulación de la temperatura de cada horno está repartida por zonas y es completamente automática. Registradoresreguladores proporcionales de una o varias direcciones o de acción proporcional integrada y derivada, mantienen constantes las temperaturas deseadas, salvo en el caso del horno de revenido, donde el sistema de regulación está asegurado por un registrador-regulador de tres direcciones y de tres posiciones: todo, medio o poco. •
Cada línea de recocido isotérmico comprende: Un horno de austenización, de empuje de bandejas. Constructor: «Stein et Roubaix». • Longitud 9080 mm • Ancho 1 280 mm • Temperatura máxima 900 ° C • Producción 1 000 kg/h • Consumo térmico 550 000 kcal/h En la primera parte del horno, que corresponde a la elevación de temperatura, los quemadores están colocados en las paredes laterales, junto a la bóveda y debajo de la solera refractaria, en cámaras delimitadas por los muretes de soporte de la solera. Los productos de combustión procedentes de los quemadores inferiores se envían al laboratorio a través de aberturas practicadas en la solera sobre el lado opuesto de los quemadores. Todos los quemadores de esta primera parte del horno constituyen dos zonas de calentamiento independientes, controladas separadamente por los dispositivos de regulación de temperatura. En la parte correspondiente al mantenimiento, todos los quemadores están, igualmente, repartidos en dos zonas independientes, pero colocados bajo la solera. Las dos zonas del horno están separadas hasta cerca de la bóveda por un murete, con objeto de disminuir los intercambios de calor entre ellas.
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A la salida del horno de austenización una deshornadora se introduce, bandeja por bandeja, en la cámara de enfriamiento. Horno de mantenimiento de empuje de bandejas. Constructor: «Stein et Roubaix». • Longitud • Ancho • Temperatura de trabajo • Consumo térmico
14600 mm 1 650mm 700 °C 130 000
termias/h
El horno acoplado la cámara enfriamiento forma queestá la carga del amismo está de obturada por laanterior puerta de de salida de la cámara precedente. El deshornado se efectúa por una puerta de guillotina maniobrada por un pistón oleohidráulico. El calentamiento se efectúa por 24 quemadores de baja presión a turbulencia, desembocando en tubos semirradiantes en aleación refractaria. Los quemadores están colocados en las dos paredes laterales debajo del lecho de deslizamiento y entre los muretes que sirven de apoyo al mismo. Se prolongan a través del laboratorio por los tubos semirradiantes que proyectan los productos de combustión en el horno, en las proximidades de la pared opuesta. El calentamiento se reparte en seis zonas. La bóveda lleva seis ventiladores de circulación, uno por cada zona. La circulación de los productos de combustión facilita el intercambio calorífico con los productos tratados y permite de la temperatura en cada una de las zonasladelhomogeneización horno. El enfriamiento de las piezas se efectúa en una célula o cámara metálica, en la cual un ventilador envía al interior aire fresco aspirado de la nave. Unas persianas regulables permiten variar la intensidad de enfriamiento en función del tonelaje tratado. La regulación de temperaturas del horno de austenización se efectúa mediante un pirómetro de cuatro direcciones actuando sobre los conductos de alimentación de aire en cada una de las cuatro zonas del horno. La acción es progresiva. La temperatura se registra por medio de un pirómetro de cinco direcciones, correspondiendo cuatro a las cuatro zonas, sirviendo la quinta para registrar la temperatura de la célula de enfriamiento. La regulación de temperaturas del horno de mantenimiento, que comprende seis zonas, se realiza porunas medioválvulas de un pirómetro de seis direcciones, que actúa sobre motorizadas montadas sobre las conducciones de aire y de gas de cada zona. La regulación es del tipo «todo o nada», pero a caudal nulo los pilotos de los quemadores permanecen encendidos.
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La temperatura se registra por otro pirómetro de seis direcciones. Como aplicación del gas natural en hornos de tratamientos térmicos podemos citar que la Empresa Seat, de Barcelona, convirtió a gas natural todos sus hornos que funcionaban hasta entonces con propano. B) En una de las factorías de SKF donde se fabrican en línea los anillos o aros de los cojinetes, los hornos de tratamiento térmico del proceso de fabricación, funcionan con gas natural. Dos son los tratamientos a que se someten los aros en su proceso de fabricación: Después de su forjado en caliente, los aros desbastados se someten a un recocido antes de su mecanización. • Después de torneados, los aros se someten a un calentamiento y temple en aceite. •
Recocido de aros forjados Después de forjados en caliente (1 160 0C), los aros desbastados se someten a un recocido en hornos de las características siguientes: Tipo de horno: Horno de empuje con bandejas (22 bandejas por línea: 2 líneas de bandejas). Dimensiones:
Longitud 38 m Ancho 7 m Altura 3,6 m
Carga unitaria por bandeja: 190 kg Cadencia de carga: 1 bandeja cada 7,30”, o sea 8 bandejas por hora Producción:
1 500 kg/h
Calentamiento:
Por tubos radiantes en depresión
Potencia térmica:
2 300 termias/h (280 m3/h, de gas natural)
NY de tubos radiantes:
Horno de alta temperatura: 32 quemadores Horno de baja temperatura: 13 quemadores Regulación: Control de temperatura:
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por «todo o poco» regresiva Horno de alta temperatura: en 6 zonas
Horno de baja temperatura: en 6 zonas Gas de protección:
Horno de alta temperatura: atmósfera endotérmica (40 % N2, 40 % H2, 20 % CO) Horno de baja temperatura: atmósfera exotérmica (98 % N2)
Calentamiento antes d el temple Después de su mecanizado, los aros se someten a un templado al aceite seguido de un revenido a 180 0C por calentamiento eléctrico. El conjunto de estos tratamientos forma una línea continua. El calentamiento antes del temple se efectúa en un horno para aros de pequeño diámetro y en otro para los diámetros mayores, con las siguientes características: Para aros de pequeño diámetro: Tipo de horno : horno de cinta transportadora Producción : 300 kg/h Calentamiento : 23 tubos radiantes alimentados con gas Potencia térmica : 246 termias (30 mi3 de gas natural) Regulación : 3 zonas de regulación «todo o poco» 2 zonas de subida de temperatura 1 zona de mantenimiento Gas de protección : atmósfera endotérmica Para aros de diámetros mayores: Tipo de horno Producción Calentamiento Potencia térmica Regulación Gas de protección
: horno de rodillos : 350 kg/h : 23 tubos radiantes alimentados con gas : 370 termias/h (45 mi3 de gas natural) . 3 zonas de regulación «todo o poco» : atmósfera exotérmica (98 % N2)
El gas de protección se produce a partir del gas natural en tres generadores de atmósfera controlada, necesarios para el consumo de los cuatro hornos de tratamiento. • Dos quemadores idénticos de una capacidad de producción, cada uno, de 90 m3/h de gas de atmósfera endotérmica (40 % N2, 40 % H2, 20 % CO), cuyo consumo de gas para cada uno de ellos es de 35 m 3/h. •
Un quemador de una capacidad de producción de 120 m 3/h de gas de atmósfera exotérmica (98 % N2), siendo su consumo de gas natural de 20 m3/h.
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12.6 ATMÓSFERAS CONTROLA DAS Al tratar de los hornos de tratamientos térmicos, hemos distinguido entre hornos de atmósfera normal y hornos de atmósfera controlada. Hemos señalado que gran parte de los tratamientos térmicos son muy delicados y exigen muchas precauciones, por lo que es necesario evitar el contacto de la acción directa de las llamas de los productos de combustión, desprendidos en los quemadores, de las piezas a tratar, para evitar las posibles acciones termoquímicas. Hemos visto que, en estos casos, el calentamiento se efectúa a través de muflas o de tubos se exige otra condición: piezasradiantes. a tratar Pero, esténademás, en una atmósfera apropiadaque a las su composición y a la naturaleza de los tratamientos solicitados (incluso un horno de calentamiento eléctrico). Por ello debe disponerse de un quemador de atmósfera controlada, en el que la composición del gas de protección, perfectamente definida para cada aplicación, sea absolutamente constante. Siendo el gas de protección fabricado a partir de una combustión, es fácil deducir la importancia de que el combustible de base tenga características precisas e invariables. Por estas razones, el gas natural es apreciado para la alimentación de quemadores de atmósferas controladas. Estas, según la naturaleza de las acciones, serán: atmósferas neutras de protección (para evitar la oxidación o descarburación) o atmósferas activas (para la carburación o carbonitruración). Las atmósferas de combustión contienen siempre, totalmente o en parte, los gases siguientes: N2-CO2-H20 -CO-H2-O2 excepcionalmente, CH4 Entre esos gases y los aceros pueden producirse las reacciones reversibles siguientes, según la temperatura y la presión parcial de los distintos constituyentes: 2 Fe+ O2 Fe+H2O Fe+CO2 Fe3C+CO2 Fe3C+2H2 3 Fe+2CO
2 FeO Fe304 Fe2O3 FeO+H2 ⇆ FeO+CO ⇆ 3 Fe + 2 CO ⇆ 3 Fe + CH4 ⇆ Fe3C + CO 2 ⇆
⇆
→
→
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Excepto el N, todos los demás gases contenidos en los productos de combustión reaccionan con el acero, sobre el que son susceptibles provocar (6). acciones oxidantes (1,2,3), decarburantes (4,5) de o carburantes
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La dirección de esas reacciones está determinada por las relaciones de las presiones parciales: H2 H2O ‘
CO CO2
‘
CH4 H2
El objetivo de la preparación de atmósferas controladas es mantener, alrededor de las piezas, atmósferas en las cuales se habrán eliminado los elementos nocivos, o se realizarán entre los diferentes constituyentes un equilibrio tal que las reacciones no pueden producirse más que en el sentido deseado. Partiendo del gas natural, pueden prepararse los tres principales tipos de atmósferas neutras o activas, por combustión parcial con o sin catalizador, seguido de la eliminación de CO 2 y H2O. 1) Gas quemado parcialmente Por combustión con falta de aire del gas natural, seguido de condensación, se obtienen las atmósferas exotérmicas siguientes, cuya composición puede oscilar entre los límites señalados: CO 8 a 12% H2 8 a 16% CO2 4 a 6% CH4 0,5 a 1 % H2O 0,8 a 3% N2 68 a 73% Estas atmósferas, de preparación sencilla y barata, son sensiblemente neutras; los valores de las relaciones CO/CO2 y N2/H20 son superiores a los valores límites de las constantes de equilibrio a las temperaturas corrientes de los tratamientos. Presentan el inconveniente de ser combustibles, lo que obliga a tomar ciertas precauciones, especialmente para su introducción en los hornos y para la purga de éstos. 2) Atmósferas ricas en nitrógeno Por combustión casi completa del gas natural, seguida de eliminación de H2O por condensación y absorción, y de CO 2 por bases orgánicas líquidas, se pueden obtener atmósferas cuya composición se sitúe entre los límites siguientes: CO H2 0,5 0,5 a a 5% 5% H2O 0,02 a 0,002 % N2 99 a 90%
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Estas atmósferas, neutras e incombustibles, se utilizan principalmente para el recocido brillante y el recocido sin decarburación. Pueden igualmente utilizarse como gas de soporte para la preparación de atmósferas activas, especialmente de cementación, añadiéndole un hidrocarburo, metano o propano. 3) Atmósferas endotérmicas Se obtienen partiendo de una mezcla aire-gas demasiado rica en gas para ser combustible, que se hace pasar por un catalizador en un horno de enfriamiento, calentamientoseguido externo;de losuna gases del mismo se someten a un absorción sobre bases débiles o carbón activo, con objeto de eliminar toda traza de vapor de agua. La composición de la atmósfera obtenida se sitúa entre los límites siguientes: CO CO2 H2 CH4 N2
17 a 20 % O a 20% 40 a 45 % O a 1% 43 a 34 %
Los valores de las relaciones CO/CO2 y son tales que las reacciones reversibles anteriores (2) (3) (4) (5) se realizan de derecha a izquierda; las atmósferas son, pues, desoxidantes y carburantes. Se refuerzan estas acciones por adición de hidrocarburos, metano y propano, para la cementación gaseosa o por la regeneración de superficies descarburadas, por adición de NH3, para la carbonitruración. Ejemplos : A) Recocido de fundición maleable ferrítica y perlítica en atmósfera neutra. En una nueva planta de una sociedad filial de la Renault se trataba de instalar 7 nuevos hornos de recocido: 2 para el recocido de la fundición ferrítica; 2 para tratamiento de aceros y 3 para el recocido de la fundición perlítica. Para que las piezas respondieran a imperativos de normas muy estrictas, era imprescindible tratarlas siguiendo condiciones de temperatura bien programadas y en atmósferas perfectamente definidas. Fue necesario pues, instalar unos hornos: • Disponiendo equipos de calentamiento modulado, precisos y convenientemente dispuestos para seguir las curvas de
318
•
temperatura; Capaces de mantener las piezas a tratar en un ambiente absolutamente de acuerdo con las prescripciones.
Si la concepción general de los hornos dependía de la operación térmica a realizar (hornos de recocer calentados por tubos radiantes con atmósfera controlada), el estudio de su realización dependía grandemente del combustible empleado. Para escoger éste convenía, en lo posible, conciliar los imperativos técnicos con las consideraciones económicas. La de marcha, facilidad de conducción precisión de elasticidad la regulación son, sinla duda alguna, ventajas yenla favor del calentamiento eléctrico. En contrapartida, su coste de explotación es extremadamente alto. Además, el empleo de la electricidad permitía la instalación de quemadores de atmósfera controlada. Las condiciones de precio eran favorables a ciertos combustibles líquidos. No obstante, éstos no permitían prestarse a todas las condiciones técnicas ni resolver todos los problemas. Por el contrario, los combustibles gaseosos, aunque menos ventajosos desde el punto de vista económico que los combustibles líquidos, presentan el interés de ser mucho menos onerosos que la electricidad y al mismo tiempo se prestan bien a las mismas técnicas de utilización, adaptándose prácticamente a todas las aplicaciones. Solamente un disponer estudio profundo se condiciones escogió el gas natural, del después que se de podía en buenas de suministro, para calentar los hornos de tratamiento, así como para la fabricación de gases de atmósfera. Las características de esos hornos son las siguientes: Horno de recocido de fundición férrica Producción: 500 kg/h Ciclo de tratamiento: Horno alta temperatura. Subida y mantenimiento a 950 0C durante 18 h 20 min. Horno baja temperatura. Enfriamiento de 950 0C a 750 0C durante 1 h 40 min. 0
0
Enfriamiento lento de 750 C a 700 C , durante 20 h Dimensiones de las bandejas soporte de las piezas: 0,8 x 0,8 m, altura 0,4 m
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Carga de piezas por bandeja: 420 kg Cadencia de carga: 2 bandejas cada 50 min. (colocadas una al lado de otra) Longitud útil de los hornos: Alta temperatura 18 m. Baja temperatura 21,75 m Tipo de hornos: Hornos de empuje con bandejas (2 líneas de bandejas). Hornos superpuestos: horno de baja temperatura superpuesto al de alta temperatura. Calentamiento: alimentados conCalentamiento gas natural. por tubos radiantes en depresión, Atmósfera de protección: Nitrógeno. Equipos y regulación por horno: 40 quemadores y tubos radiantes en U; control de temperaturas en 8 zonas (horno alta temperatura); 22 quemadores y tubos radiantes en U; control de temperatura en 11 zonas. Uniformidad de temperatura obtenido por 11 ventiladores de circulación (horno baja temperatura). Potencia térmica unitaria por tubo radiante: Potencia térmica instalada: Horno alta temperatura Horno baja temperatura
40 termias/h 1 600 ter/h 880 ter/h
O sea, aprox. 300 m3/h de gas natural . . . 2 480 ter/h Horno de recocido de fundición perlítica Producción: 600 kg/h Ciclo de tratamiento: Subida y mantenimiento a 970 0C durante 19 h 48 min. Enfriamiento de 970 0C a 800 0C: 1 h 48 min. Enfriamiento rápido de las piezas a la salida del horno por colocación de éstas sobre un transportador vibratorio. Dimensión de las bandejas: 0,8 X 0,8 m; altura 0,4 m Carga de piezas por bandeja: 270 kg Cadencia de carga: 2 bandejas cada 54 mm Longitud útil de horno: 19,5 m
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Tipo de horno: Horno de empuje con bandejas (2 líneas de bandejas) Calentamiento: Por tubos radiantes en depresión, alimentados con gas natural Atmósfera de protección: Nitrógeno Equipos de regulación: 40 quemadores y tubos radiantes en U. Zona de enfriamiento ventilado antes de la descarga (1 ventilador de circulación) Potencia térmica unitaria por tubo radiante: 40 ter/h Potencia térmica instalada: 1 600 ter/h o sea, aprox, 200 m 3/h de gas natural Se disponen de tres quemadores de atmósfera neutra (N2) ca paces, cada uno de ellos, de producir 220 m3 de nitrógeno. B) Transformación a gas natural de 3 hornos de campana para recocido de chapas en bobinas, utilizando anteriormente fuel-oil, y de 2 generadores exotérmicos de atmósfera controlada, utilizando anteriormente propano (desprovisto de propileno). Los hornos de campana se equiparon con 12 quemadores con un consumo total de 1 800 termias/h. La conversión de fuel-oil a gas natural se hizo deteniendo uno a uno los hornos. Para el primer horno se invirtieron cerca 4 semanas, pero el tercero se pudo transformar en menos de 2de semanas. Respecto a la transformación de los 2 generadores de atmósfera controlada, produciendo uno de ellos la atmósfera utilizada para recocidos normales y el otro una atmósfera destinada a los recocidos de carburación completa (caso de chapas para esmaltado directo), no presentaron ninguna dificultad, puesto que la constancia de composición del gas garantiza la constancia de la composición de la atmósfera producida, lo que anteriormente sólo podía conseguirse con el propano desprovisto de propileno y no podía lograrse con el propano comercial. La sustitución del fuel-oil por el gas en los hornos ha permitido una mayor homogeneidad en el calentamiento de las campanas, así como condiciones de trabajo más agradables, especialmente sensibles en este tipo de hornos, que necesitan el montaje y desmontaje de lasuna alimentaciones de combustible. gas permitió, además, realizar regulación de temperaturasElmodulante sin extinción de los quemadores. Se ha facilitado igualmente el encendido de los quemadores instalando pilotos permanentes.
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Aunque no tenemos datos exactos del balance de explotación, se ha obtenido una disminución del coste de calentamiento gracias a la economía realizada en la conservación de las campanas de acero inoxidable, debido a que el gas natural ha producido una disminución notable de las deformaciones y corrosiones de las mismas. C) Conversión a gas natural de todos los equipos térmicos de una factoría que produce de 16 a 18 000 t mensuales de tubos sin y con soldadura, y emplea a 2 550 personas. Una parte de y los equipos gas manufacturado el resto por estaba fuel-oil alimentada ligero. Todosporfueron convertidos a gas natural. Los equipos que utilizaban el gas manufacturado eran los siguientes •
2 hornos túnel Nassheuer calentados por tubos radiantes (1 de 4 t/h, 1 de 2,5 t/h, pudiendo ser forzado a 4 t/h. Estos hornos son de recocido blanco sin descarburación bajo atmósfera controlada.
•
Generadores de atmósferas Nassheuer para los hornos precedentes, del tipo exotérmico.
•
1 horno de recocido de 3 t/h.
•
1cocción estufadederesinas calentamiento epóxidas.directo por aire caliente para la
•
1 rampa de calentamiento de tubos antes de su revestimiento con betunes.
•
2 hornos de calentamiento de extremidades de tubos.
La conversión de todos ellos se realizó con la intervención de los constructores de los hornos en servicio. La conversión no presentó ningún problema técnico especial. La transformación de los hornos túnel consistió en cambiar los inyectores de gas en los quemadores de los tubos radiantes, los asientos de las válvulas motorizadas y los caudalímetros de gas y de aire. Además, se instalaron antorchas o pilotos nuevos oxigas y se añadió una chimenea para mejorar el tiro. Sobre los generadores se cambiaron los quemadores y los caudalímetros.
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No hubo dificultades en el horno de recocido. Sobre la estufa, la necesidad de un buen encendido mú ltiple obligó a modificar la posición de los pilotos de encendido. Los equipos que utilizaban fuel-oil ligero eran los siguientes: • •
• • •
Un horno de recocido Stein et Roubaix con calentamiento antes de temple al aire y revenido de una capacidad de 16 t/h. Una caldera Poray de 360 termias/h para producir agua recalentada para el calentamiento de los tanques de fosfatación. Tres generadores de aire caliente. Una caldera de agua caliente para calefacción de los locales. Tres cubas de combustión sumergida para máquinas de desengrasar Mabor.
El horno de recocer estaba provisto de 48 quemadores de fuel-oil ligero que podían recibir un equipo de combustión de gas, permitiendo el funcionamiento no simultáneo con ambos combustibles. Actualmente, la marcha normal del horno es con gas natural, pero el fuel-oil puede utilizarse, en casos de emergencia, sin desmontar ninguna pieza, por la simple maniobra de las válvulas. Esta transformación, que se efectuó durante las vacaciones del personal, ha resultado particularmente beneficiosa bajo el punto de vista de facilidad de explotación y reducción de los costes de conservación, sin perjudicar lo más mínimo ni la producción ni el balance de explotación. D) Horno de calentamiento con atmósfera controlada y con temple incorporado. Una importante factoría de fabricación de vehículos industriales, empleando 4.450 personas y produciendo camiones de 105 a 225 CV para cargas de 19 t, y con remolque para 35 t, dispone de un importante taller de tratamientos térmicos utilizando gas como combustible, comprendiendo: •
Dos hornos túnel para recocido de piezas en bruto.
•
Un horno de calentamiento antes de temple.
•
Un horno de empuje de calentamiento antes de temple en
•
baño de sales. Un horno de tubos radiantes para cementación y temple bajo atmósfera controlada.
323
•
Una máquina de lavar calentada por tubos sumergidos, seguido de un túnel de secado de dos cámaras de combustión.
•
Tres hornos especiales para cementación gaseosa, continuo con temple incorporado.
Por su srcinalidad describimos este último tipo de horno, especialmente concebido para la finalidad deseada.
Características del horno: Longitud : 4,70 m Ancho : 3,00 m Alto : 4,50 m •
Modo de utilización temple directo
: continuo para cementación y
Capacidad por operación : 200 a 300 kg de piezas, según forma y tamaño
•
Temperatura del aceite de templado: 920 0C
•
•
Duración del tratamiento : según espesor de concentración deseado
• •
Consumo medio : 180 termias/h Temperatura del aceite de templado: 150 0C
•
Atmósfera controlada
: atmósfera carburante endotérmica
El horno (Figura 12.5 ) comprende tres partes: la cámara o esclusa, la cuba de temple y el horno propiamente dicho. La cámara, situada encima de la cuba de temple, está cerrada por una puerta deslizante de mando neumático. Un quemador rampa situado delante de esta puerta se destina a quemar cualquier fuga del gas de atmósfera a su abertura o durante el tratamiento. La cámara y el horno están provistos de transportadores de rodillos independientes pero adyacentes, accionados por dispositivos mecánicos de empuje accionados a su vez eléctricamente. La llegada del gas de atmósfera está situada en la parte alta y posterior del horno.
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Figu ra 12.5 Sección longitu dinal del conjunto del horno d e calenta miento con atmósfera controlada y con temple incorpo rado
La cuba de temple, cuya capacidad es de 7 700 litros de aceite caliente, mantenido a 150 0C por resistencia eléctrica y homogeneizado por cuatro agitadores helicoidales de dos velocidades de rotación, comprende cubalitros. de recepción de seguridad, con una capacidad de una 10000 En casoy de incendio del aceite de temple, éste se trasiega a la cuba donde se enfría, mientras que la combustión se extingue a medida que se llena. El horno propiamente dicho, situado a continuación y separado de los elementos anteriores por una puerta de guillotina de material refractario, está provisto de un camino de rodadura de rodillos que se enfrenta con el de la cámara, y de un sistema de calentamiento por doce tubos radiantes repartidos seis en cada lado del horno y alimentados, de tres en tres, por un mezclador de gas-aire inductor, suministrado por un ventilador único por horno. Una particularidad de estos tubos es la repartición alternativa en toda su superficie de unas abolladuras destinadas a crear una turbulencia en la corriente de gases de calefacción y asegurar un mejor intercambio calorífico entre dichos gases y la pared de los tubos. de losdetubos estácon compensada en su parte inferior La pordilatación un dispositivo fijación resortes. Dos turbinas situadas bajo el camino de rodadura agitan la atmósfera del horno.
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El conjunto del horno puede utilizarse indistintamente para el recocido con temple bajo atmósfera controlada o para la cementación sin temple. A este efecto la cámara de enfriamiento está rodeada de una camisa de agua (water-jacket) destinada a enfriar las piezas bajo atmósfera y evitar una radiación calorífica excesiva por las paredes de la cámara. El diseño de este horno permite un ciclo automático de tratamiento que asegura, a la vez, una ocupación intensiva del horno y un perfecto aislamiento de las piezas cargadas en el horno respecto a la atmósfera del exterior. La cámara está equipada con un chasis de carga y deshornado de dos pisos, que se puede desplazar verticalmente. El recorrido de ese chasis permite un desplazamiento de las plataformas inferior y superior, respectivamente, del tanque de temple al nivel de carga y de éste a la parte alta de la cámara. Funcionamiento : A la puesta en servicio, la puerta de la cámara se abre y se introduce la carga, montada sobre una plataforma, en el chasis descrito (piso superior) mediante empuje mecánico, volviendo a cerrarse la puerta; luego se abre la puerta del horno propiamente dicho, y se introduce la carga en el mismo cerrándose aquélla. Se introduce entonces una segunda carga en la cámara, se eleva el chasis y se mantiene la carga en la parte alta de la cámara, mientras que el nivel inferior del chasis queda a la altura del deshornado. Puede recibirdesciende, entonces la carga que sale del horno y el conjunto del chasis introduciendo la carga en el tanque donde se efectúa el temple, mientras la segunda carga, que estaba sobre el piso superior del chasis, queda a la altura de carga del horno y es empujada al interior del mismo. Queda entonces libre el piso superior del chasis para recibir una nueva carga, que es empujada al interior de la cámara. El chasis, cargado en sus dos niveles, asciende: la carga templada puede empujarse fuera del horno y la tercera carga introducida queda en espera en lo alto de la cámara para que la carga en curso de calentamiento o de cementación venga a colocarse en el piso vacío del chasis para su templado. Y así sucesivamente. Generador de atmós fera : La producción de atmósfera se efectúa en un generador endotérmico utilizando una mezcla gas-aire con mucho defecto de aire. gas-aire La retortaanterior conteniendo catalizador alimenta con la mezcla y es el calentada porsedos quemadores superpuestos, dispuestos tangencialmente y alimentados por un mezclador de aire inductor.
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Dos caudalímetros, uno sobre el aire y otro sobre el gas, a la entrada del mezclador, sirven para regular aproximadamente la relación aire-gas; un tercer caudalímetro de precisión sobre el circuito de gas desembocando a la salida del mezclador, permite añadir éste para ajustar las proporciones al valor deseado. Después de atravesar la retorta, el gas craquizado a 1 050-1 100 0 C se enfría rápidamente a 30 0C en un enfriador de circulación de agua, a fin de conservarle las características adquiridas a alta temperatura, para enviarlo después al horno. El automatismo del horno de tratamiento térmico implica el automatismo del generador. Dicho automatismo en asegurar la seguridad y la constancia de marchaconsiste que debe realizar absolutamente una proporción de mezcla aire-gas con una tolerancia inferior al 0,4 %. Una adición del 1 al 4 % de gas en el horno permite bajar el punto de rocío a —10 0C. La temperatura de reacción en la retorta debe controlarse rigurosamente, y la temperatura de su calentamiento debe estar comprendida entre dos límites impuestos, uno por el comportamiento de los materiales de la retorta y el otro por la aparición de un depósito de hollín inmediatamente por debajo de 800 0C. En el caso de descenso de la temperatura, se cierra la llegada de la mezcla aire-gas a la retorta. En caso de falta de uno de los fluidos, se para el compresor del mezclador. Producción media por generador: 30 m3/h. 12.7 GAS NATURAL EN LA METALURGIA DE METALES NO FÉRRICOS En este ramo industrial se encuentra no sólo la misma diversidad de operaciones que en la metalurgia de los metales férreos, sino que aquéllas se multiplican por la variedad de aleaciones y metales. A excepción de los metales preciosos o raros, esas operaciones, tanto si se trata de la fusión, de su elaboración o de su tratamiento térmico, deben realizarse a temperaturas sensiblemente inferiores a las exigidas por los metales férreos. Debido a ello, el gas natural encuentra un vasto campo de aplicación. La sensibilidad de estos metales a las acciones químicas de los productos de combustión y especialmente a las impurezas que pueden contener, exigen, a menudo, el empleo de un combustible puro, cuya docilidad permita un ajuste preciso de las atmósferas de combustión. Además,protegido en aquellos casosacción en queagresiva el material tratar deba mantenerse de toda de laa atmósfera, el gas natural aporta una solución al calentamiento mediante tubos radiantes, así como a la producción de atmósferas de protección.
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El gas natural se presta perfectamente al calentamiento de hornos de fusión, tanto si se trata de hornos basculantes o de reverbero para los metales, como de cubas de galvanización, hornos de fusión en crisoles para aluminio, aleaciones de cobre o aleaciones ligeras. Los hornos de crisol especialmente construidos para el empleo del gas natural permiten, gracias a una disposición especial de los refractarios que rodean los crisoles, obtener rendimientos muy elevados, asegurando una mayor duración de los crisoles debido a la supresión de los golpes de fuego. El quemador o de quemadores se disponen en los hornos (generalmente forma cilíndrica), de manera que su de ejecrisol sea tangente a una generatriz de la cámara de combustión; los gases de combustión tienen que rodear el crisol para salir por el orificio de evacuación situado opuestamente a los quemadores y a un nivel superior. Dichos productos de combustión pueden emplearse, a su salida, para precalentar el aire de combustión o los lingotes del metal a fundir contenidos en una estufa situada en las proximidades del crisol. La combustión se regula convenientemente para que se efectúe en las condiciones económicas más favorables, compatibles con la buena conservación del material: se procura, pues, que sea una combustión casi neutra, con una muy ligera falta de aire para evitar la destrucción por oxidación a alta temperatura del crisol. Esta falta de aire debe ser mínima, con objeto de evitar la pérdida de calor por inquemados de los productos de combustión que se del horno, les y también para que el hidrógeno libre queevacuan necesariamente acompaña, no se difunda y, en contacto con el baño, sea absorbido por ciertos metales fundidos, como por ejemplo el aluminio. La experiencia y una serie de ensayos efectuados, han demostrado, sin embargo, que la fusión del aluminio y de aleaciones ligeras en hornos de crisol, no se ha visto afectada por ese fenómeno al utilizar gas natural. Se ha llegado a la misma conclusión en el caso de hornos de llama directa a partir de la puesta en servicio de un horno de balsa de fusión de 18 t de aluminio, calentado por gas natural, en el cual el quemador efectúa una combustión retardada con cracking del metano, aumentando el coeficiente de emisión de la llama. La idea directriz ha sido suprimir toda acción directa de la llama y de los productos de la combustión sobre el baño, asegurando la transmisión de calor por radiación directa entre la llama y el baño.
328
Los resultados de explotación han confirmado las previsiones, tanto en lo que se refiere al balance térmico del horno, como a la pérdida al fuego y al fenómeno de gaseado. Hemos querido subrayar este ejemplo porque confirma, una vez más, la importancia de la elección de los quemadores y de las características de combustión, así como de los intercambios de calor, en la utilización industrial del gas natural. En lo que se refiere a las operaciones de laminado de chapas y extrusión de tubos y alambres, el gas natural se revela como un com Resulta a pesar del realizar relativo bajo nivelbustible de lasinteresante. temperaturas de fácil, calentamiento, esta operación, debido a la repartición y división racional de las zonas de calentamiento, que permiten evitar todo riesgo de calentamiento local. Para las operaciones de tratamiento, el gas natural presenta las mismas ventajas que en la metalurgia de los metales férreos. Igualmente, con exigencias diferentes según los metales, los problemas de atmósfera de protección pueden resolverse fácil y económicamente utilizando gas natural como materia prima. En lo que se refiere a los metales y aleaciones de cobre, la ausencia de azufre puede ser factor decisivo para su adopción como materia de fabricación de atmósferas de protección, necesarias para el recocido en caliente, donde el metal debe protegerse contra toda posibilidad de oxidación. Ejemplos: A) Horno de crisol para fusión de plomo Se trata de un horno de crisol conteniendo 500 kg de una aleación de plomo y antimonio utilizada para la fabricación de acumuladores eléctricos. El calentamiento se efectúa con quemadores de gas (cuyas llamas se dirigen tangencialmente a las paredes del hogar), alimentados por inducción de aire a presión y gas a presión atmosférica. El baño de fusión se mantiene a 6000 C por medio de una regulación automática que actúa sobre la presión del aire. Para una producción de 90 kg/h de metal fundido se consumen: •
•
m3 de gas natural de 9 000 kcal/m 3 por 100 kg de metal en período de trabajo continuo; 2,6 m3 de gas natural de 9 000 kcal/m3 por 100 kg de metal, teniendo en cuenta consumo necesario para calentar el horno después de loselparos de trabajo durante la noche y los días festivos.
La proporción de piezas rechazadas ha sido del 2,78 %.
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La experiencia ha demostrado que para un trabajo diario continuado de 6 h 30 mm a 22 h 30 mm, es interesante no apagar completamente los quemadores durante las horas de paro de trabajo. A este efecto se mantiene, por medio de la regulación automática, una temperatura de 450° C en los crisoles desde las 22 h 30 min hasta las 4 de la mañana, lo que representa para los quemadores un caudal pequeño. A las 4, la regulación automática dispone que se mantenga la temperatura de 600° C hasta que empieza el trabajo a las 6 h 30 min. La introducción de la regulación automática en las operaciones de esta clase presenta un gran de orden económico, permitiendo mantener el baño a la interés temperatura reconocida como la más conveniente, produciendo una economía de combustible y, sobre todo, lo que es más ventajoso bajo el punto de vista del precio de coste, una disminución notable de rechazos srcinados por una temperatura demasiado elevada. B) Fusión de recuperación
aleaciones
ligeras
procedentes
de
Se refiere a dos plantas para tratar restos de aleaciones de aluminio de 40 000 t/año de capacidad cada una, y de otra, para tratar aleaciones cuprosas de 12 000 t/año de capacidad. La fundición consta de: •
Tres hornos de reverbero de balsa, utilizados para tratar los residuos (virutas material de recuperación, etc.) cuyo rendimiento metaldeestorno, superior a 88 %.
•
Cuatro hornos rotativos de baño de sales, destinados a tratar los residuos de rendimiento metal pobre, pudiendo bajar hasta 35 %.
•
Un horno de solera, utilizado para tratar residuos ferrosos.
•
Cinco hornos basculantes y un horno fijo, que reciben el metal líquido de los hornos rotativos y del horno de solera, y lo cuelan en lingotes.
Los hornos de reverbero, de una capacidad total de 120 t, se calientan por seis quemadores de gas de 1800 termias/h. La regulación se hace por control de temperatura de la bóveda (regulación de marcha entre 1000 y 1100°C). La temperatura del baño 800°C.se controla permanentemente y se mantiene entre 750 y
330
Los hornos rotativos tienen una capacidad de 3 a 3,5 t/uno y están equipados por quemadores sin mezcla previa de aire, de 900 termias/h, con regulación del caudal de gas según el caudal de aire. Para evitar la oxidación de la granalla, la fusión se hace en baño líquido de sales. Siendo la sal mala conductora del calor, la transmisión no puede hacerse por radiación como en los hornos clásicos, y se transmite por conducción en el curso de la rotación del horno cuando la zona calentada en la bóveda se coloca bajo el metal. C) Recocido continuo de bandas de aleaciones de cobre y de s, barras, cables, etc. , de cobre, latón o aleaciones contubo aluminio El recocido de bandas de 300 a 1 250 mm de ancho y de 3 a 18 décimas de mm de espesor se realiza en un horno vertical continuo, con una producción mínima de 2 t/h, y una gran diversificación de la demanda, tanto en calidades como en dimensiones. Las características físico-químicas de las diferentes aleaciones tratadas imponían al horno un calentamiento preciso y rápido, y una atmósfera no oxidante. El sistema de calentamiento escogido fue el de convección forzada con proyección octogonal, de chorros de gas de atmósfera controlada sobre la banda. Dicha atmósfera se recicla y se recalienta por circulación en conductos provistos de tubos radiantes de calefacción. El 24 m de alto, comprende cuatro zonas: y una doshorno, zonasque detiene calentamiento, una zona de mantenimiento zona de enfriamiento. Las dos primeras están equipadas con 8 tubos radiantes (4 de cada lado). La zona de mantenimiento está equipada con 4 tubos radiantes al sentido de paso. Cada zona es una unidad autónoma con su correspondiente equipo de calentamiento, de reciclaje y de regulación. La regulación se hace por «todo o poco», mediante la acción de una válvula neumática sobre la entrada de aire que regula, a su vez, la entrada de gas. Una red de seguridad montada sobre panel de control permite prevenir: • • • •
La falta de aire de combustión. La falta de gas. La falta de aire comprimido. La falta de agua de refrigeración.
El recorrido de tubos se realiza en un horno de recocer de rodillos de 60 m de largo, que comprende:
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• • • • •
Una mesa de carga de 10,45 m, Una cámara de entrada de 12,6 m de largo, donde se efectúa la purga de los tubos, El horno propiamente dicho, de 6,75 m de largo, con dos zonas de calentamiento bajo atmósfera, Una zona de enfriamiento de 23 m de longitud, Una mesa de descarga de 6,45 m.
Según el tipo de tubos tratados, la velocidad de circulación varía entre 0,2 y 2 m/min. El conjunto de la instalación está bajo atmósfera de protección. Los quemadores están regulados de forma que, a pleno caudal, los productos de la combustión son suficientes para crear en el horno la atmósfera neutra deseada, pero a poco caudal son insuficientes para mantener la atmósfera conveniente, siendo entonces necesario recurrir a un generador exotérmico de ayuda, situado encima del horno y alimentando principalmente la zona de enfriamiento. El horno está dividido en 2 zonas de calentamiento de temperatura creciente (6000°C en la primera y 700°C en la segunda). Cada zona está equipada de 4 quemadores (2 por lado) dispuestos sobre la solera, por un lado, y bajo la misma, por otro. Su potencia total es de termias/h.manual Dichos quemadores son de premezcla total con700encendido y piloto de seguridad.
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CAPITULO
XIII
GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA DEL VIDRIO Y CERÁMICA
13.1 INDUSTRIA DEL VIDRIO La industria del vidrio utiliza cantidades importantes de gases ricos, propano o gas manufacturado, para la mayoría de operaciones anexas a la fusión (feeders, máquinas automáticas, hornos de recocer y decorar, etc.). La disponibilidad de gas natural permite no sólo utilizarlo en esas operaciones, sino realizar en condiciones competitivas el calentamiento de los hornos de crisoles y de balsa. 13.1.1 Horn os de bals a Los hornos de balsa están constituidos esencialmente por una cuba en material refractario, de forma generalmente rectangular, cubierta de una bóveda aplanada. Sus dimensiones varían enormemente: se valoran generalmente por la superficie del baño de fusión, que es de 10 a 100 m 2 para el vidrio hueco y que puede alcanzar hasta 500 m2 para el vidrio plano. La capacidad de producción que se expresa en t por m 2, es del orden de 1 para el vidrio plano y de 2 a 2,5 para el vidrio hueco. Las primeras materias se introducen por uno de sus extremos, estando el otro unido a unos canales, llamados «feeders», donde el vidrio se derrama por gravedad hacia las máquinas de fabricación. Para el vidrio plano, el extremo de extracción está provisto de un sifón de donde unos rodillos lo extraen y estiran en forma de lámina plana, también puede obtenerse por flotación. El horno de balsa está generalmente provisto de recuperadores o regeneradores, donde se calienta el aire de combustión por recuperación de una parte del calor de los humos. El equipo de calentamiento consta de unos inyectores de combustible, los cuales desembocan en el horno en la proximidad de los canales de refractario de llegada del aire de combustión procedente de los dispositivos de recuperación. La llama se desarrolla entre la bóveda y la superficie del baño, y los productos de combustión se evacuan por orificios apropiados. En los hornos de regeneradores, los mismos orificios sirven alternativamente para la introducción del aire caliente y para la salida de los humos, de acuerdo con los ciclos de inversión del horno. En los hornos con recuperadores, los orificios de admisión de aire y los de evacuación de humos son distintos, puesto que la recuperación del calor se efectúa de manera continua a través de paredes de refractario que separan ambos fluidos.
335
Los hornos de balsa pueden ser de dos tipos: •
Hornos de calentamiento en bucle o herradura, en los cuales los orificios de llegada de aire y de combustible están colocados en uno de los lados menores del rectángulo. La llama se desarrolla en forma de bucle para volver sobre ella misma y evacuarse por canales situados en el mismo lado que los orificios de llegada citados. El recorrido de la llama es pues sensiblemente igual al doble de la longitud de la balsa.
•
Hornos de calentamiento transversal, en los cuales los orificios de llegada colocados lo largo de de evacuación uno de los lados mayores del están rectángulo, y losaorificios están colocados en el lado mayor opuesto, por lo que la llama, en este caso, sólo dispone para su desarrollo de la anchura de la balsa.
•
La característica de la transmisión de calor en este tipo de horno es la preponderancia (como en todos los hornos de reverbero) de la radiación sobre la convección, por las razones siguientes:
•
El vidrio es mal conductor del calor, por el contrario, es transparente; por ello, sólo la radiación puede alcanzar las capas profundas de la masa y, por consiguiente, calentar el baño en todo su espesor y no solamente su superficie.
•
Las corrientes de convección son perjudiciales a la calidad del vidrio, ya su quefusión entrañan el riesgo de arrastrar hacia laprimas, salida, antes de completa, partículas de materias que producirían en las piezas fabricadas un defecto o tara que se denomina «grano».
•
La llama debe ser:
•
Caliente: para que su elevada temperatura pueda producir el máximo de partículas radiantes, y favorecer la evolución del proceso de disociación de los hidrocarburos y demás fenómenos exotérmicos.
•
Voluminosa: con objeto de llenar el horno y calentar uniformemente todas sus partes.
•
Suave: para poder adaptarse fácilmente a la forma del horno sin causar la destrucción de determinadas partes del
•
refractario por la acción del dardo de la llama. Luminosa: para permitir su penetración por radiación en el baño.
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•
Fácil de regular: para poder producir una atmósfera oxidante o reductora y prevenir la formación de defectos en el vidrio o un ataque grave del refractario.
Al ser metano el principal constituyente del gas natural, las características de combustión de dicho gas son las que condicionan su utilización. Su velocidad de combustión es baja, alcanzando su valor máximo en el caso de mezcla aire-gas teórica, que aumenta con el precalentamiento del aire. Los volúmenes de aire y gas medidos a 15 0C están en relación 10 a 1; las temperaturas, densidades y velocidades de ambos fluidos son en el quemador, que resulta difícilsensiblemente conseguir unadiferentes mezcla íntima y rápida. Sipornolose consigue evitarlo, se corre el riesgo, teniendo en cuenta la débil velocidad de propagación de la llama del metano, que ésta se prolongue más allá de los límites autorizados por la construcción del horno y penetre en el recuperador o regenerador. El metano, como todos los demás hidrocarburos de cadena corta, da una llama no luminosa. Puede, sin embargo, conseguirse una llama luminosa si se le disocia (cracking) antes de la combustión o al inicio de ésta. La disociación produce la formación de partículas de carbono libre que dan a la llama un gran poder de radiación. La disociación es fácil de conseguir en los hornos con regenerador, gracias al recalentamiento del aire a una temperatura próxima a los 1 000 0C. No sucede lo mismo en los hornos con recuperador, donde la temperatura del aire apenas sobrepasa los 650 0C. Teniendo ende cuenta las consideraciones es necesario que la llama gas presente las siguientesanteriores, características: •
La mezcla del aire y del gas debe realizarse desde el momento de su introducción en el horno. De lo contrario, la llama es demasiado larga y la combustión no termina hasta la entrada de los regeneradores.
•
Un recalentamiento progresivo y relativamente lento del aire y del gas debe permitir a la llama desarrollarse completamente en el horno. Una llama de ese tipo (sin mezcla previa), llamada de difusión, tiene un alto poder emisivo.
•
La posición, forma y velocidad del chorro de gas deben ser tales que favorezcan la formación de partículas de carbono por disociación térmica, ayudados por la inyección de cierta cantidad de gas al abrigo del aire en una zona de alta
temperatura. Se han adoptado diversas soluciones, en los hornos de balsa, para la introducción de aire y de gas, con objeto de satisfacer esas condiciones.
337
Las disposiciones más corrientes, tanto en los hornos de bucle como en los de calentamiento transversal, son las siguientes: •
Los orificios de inyección del gas se colocan en la parte lateral del conducto de llegada de aire, formando entre ellos un ángulo de convergencia de unos 98° (Figura 13.1 - solución A).
•
Los orificios de inyección se colocan, bajo el conducto de llegada de aire, entre éste y el nivel del vidrio (Figura 13.1 solución B).
Estas disposiciones son recomendables para el gas natural, con la única condición de que la geometría de los quemadores permita una difusión del gas en la corriente del aire, de tal forma que la mezcla se produzca lo más cerca posible de la entrada de la balsa. Los inyectores de gas natural presentan las características siguientes: •
•
En el caso de que estén colocados a uno y otro lado del conducto de llegada del aire, se utilizan inyectores cilíndricos, cuya convergencia produce, a partir del punto donde se cruzan los chorros, una llama única, ampliamente expansiva, que llena completamente la totalidad del volumen del conducto de aire. Esta llama es bastante luminosa, ya que encontrándose encerrada en ella una porción de gas sin quemar, se calienta y disocia antes de su difusión en el aire. En los demás casos, el inyector de gas produce un chorro de forma cónica, cuya geometría se determina de manera que la mezcla de aire y gas esté prácticamente terminada cuando el conducto de aire desemboca en el horno.
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Figu ra 13.1
De acuerdo con los cálculos teóricos, en las mismas condiciones de funcionamiento, temperatura y relación aire-combustible, el fuel-oil tendría un rendimiento térmico superior al del gas, ya que su temperatura teórica de combustión es más elevada y el poder emisivo de la llama es mayor. En la práctica, puede ocurrir de otra manera: el metano puede quemarse completamente con un exceso de aire inferior al que es necesa rio para el fuel-oil. Con excesos de aire re spectivamente del 5% del y15 %, las temperaturas teóricas de combustión son sensiblemente las mismas para el gas natural que para el fuel-oil. Por otra parte, es relativamente fácil obtener llamas de difusión de gas natural cuyo factor de emisión sea de 0,5. Este valor, aunque inferior al factor de emisión de la llama del fuel-oil, está próximo al óptimo de radiación, que se sitúa alrededor de 0,45. Cuando dispositivosy de de gas se han escogido los correctamente se inyección han adaptado a lasnatural características tecnológicas de los hornos, es posible obtener llamas de gas natural de resultados próximos a los que se obtienen con el fueloil.
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Los consumos específicos de gas están comprendidos entre 1 500 y 2 500 kcal/kg. 13.1.2
Horno s de cri soles
Los crisoles, abiertos o cerrados, en los que se efectúa la fusión del vidrio se colocan sobre la solera del horno, cubiertos por una bóveda y normalmente provistos de regeneradores o recuperadores. Contrariamente a los hornos de balsa, los hornos de crisol tienen un régimen de producción discontinuo, que comprende las fases siguientes: •
Carga de los crisoles.
•
Fusión.
•
Extracción del vidrio para fabricación.
Los inyectores de combustible colocados próximos a las llegadas del aire producen una llama que se desarrolla entre la bóveda y los crisoles. La posición de esos inyectores varía según la forma, las dimensiones y la tecnología de los hornos, los cuales presentan gran variedad: pueden colocarse en el centro de la solera, en la bóveda o sobre los lados. Lo esencial es que la disposición escogida asegure una mezcla completa y suficientemente rápida del aire y del gas, y produzca una llama suave y envolvente. Por el contrario, no es necesario que la llama sea luminosa. El calentamiento se efectúa principalmente por convección entre la pared de los crisoles y la llama: ésta debe circular alrededor de los crisoles antes de salir por los conductos de evacuación dispuestos generalmente al nivel de la solera. Se produce, además, una radiación de la bóveda del horno a la parte superior de los crisoles. La elección de los quemadores es importante a fin de obtener una llama suave, envolvente y cuya longitud pueda ajustarse perfectamente a las dimensiones de la cámara de combustión, que acostumbra a ser reducida. Con inyectores de llama cónica se efectúa una mezcla suficientemente rápida del gas con el aire frío o caliente, según que el horno esté provisto o no de recuperadores; por otra parte, se puede ajustar con precisión la longitud de la llama, puesto que ese tipo de inyector permite, a caudal constante, variar la velocidad de salida. El gas permite una regulación con un mínimo exceso de aire; desde luego, los crisoles están menos expuestos a los golpes de fuego y su duración de vida es mayor.
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13.1.3 Operaciones anexas a la fusió n Para estas operaciones el gas natural se encuentra en competencia no sólo con el fuel-oil, sino con otros gases ricos, corrientemente gas manufacturado o propano. Dichas operaciones se efectúan bien en el interior de un recinto (calentamiento de «feeders», arcas de recocer y decorar, de recalentamiento) o bien al aire libre, por acción directa de la llama sobre el producto (requemado, corte o formas diversas). •
Calentamiento de feeders
Los feeders o canales de distribución reciben el vidrio del horno de fusión a 1 300 0C, aproximadamente, y lo dirigen hacia las máquinas automáticas en donde se distribuyen gota a gota. El vidrio debe mantenerse a una temperatura muy precisa, variable según la naturaleza del vidrio y el peso de las piezas a fabricar, comprendida entre 1150 0C y 1 250 0C. La temperatura determina la viscosidad del vidrio y debe regularse con precisión, de forma que el peso de la gota que sale del orificio de colada sea rigurosamente constante. Para obtener este resultado deben repartirse a lo largo de cada canal de distribución una serie de pequeños quemadores individuales. Los quemadores deben alimentarse con la mezcla previa aire-gas, preparada en diferentes tipos de mezcladores. La utilización del gas natural no presenta dificultad alguna en la sustitución de los otros gases ricos, puesto que la obra de refractario caliente actúa como excelente dispositivo de estabilización de llama. Basta regulareldispositivodemezclade acuerdo con las características del nuevo gas. El cambio de gas puede hacerse sin parar la producción. •
Calentamiento de arcas de recocer
El recocido del vidrio consiste en calentar las piezas fabricadas hasta una temperatura próxima a 600 0C, suficiente para destruir las tensiones internas que se hayan producido. Este recalentamiento está seguido de un enfriamiento controlado, lento al principio, luego rápido. Esta operación se realiza corrientemente en túneles de marcha continua: generalmente hay un arca por máquina, de manera que su carga sea homogénea.
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El gas se presta muy bien a la realización de tal ciclo, puesto que es posible dividir las zonas de calentamiento para asegurar, en cada puesto del túnel, el aporte calorífico exactamente necesario. Se utilizan dos técnicas indistintamente: el calentamiento indirecto o de atmósferas distintas, que supone la existencia de una mufla donde las piezas se encuentran protegidas del contacto con los productos de combustión; y el calentamiento directo, o en atmósfera común, donde los productos de combustión circulan libremente alrededor de las piezas. La primera técnica, que se impone con la utilización del fuel-oil y de de altacon proporción de de azufre, razón de de ser combustibles con el gas natural: éste no es temernolatiene formación «blanco de arca» para proporciones inferiores a 10 mg por termia (1 000 kcal), lo que es corriente en los gases naturales La supresión de la mufla simplifica notablemente la combustión en las arcas y mejora sensiblemente el rendimiento térmico; esta mejora puede ser, según los casos, de 25 % a un 50 %. Aun en el caso de que se estime necesario poner las piezas fuera del contacto de los gases de combustión, el gas natural permite eliminar la mufla, puesto que puede emplearse el calentamiento con tubos radiantes, que con un rendimiento ligeramente inferior al calentamiento directo, aunque superior a la mufla, presenta las mismas ventajas que este último. El equipo o conversión de las arcas de recocer al gas natural necesita ciertas precauciones, según el tipo de quemadores empleados. Los de quemadores con cono de refractario constituyen un dispositivo estabilización de llama suficiente. Por el contrario, las rampas transversales de calentamiento, dispuestas bajo el tapiz transportador, tienen que ir provistas de dispositivos de estabilización. • Calentamiento de arcas de decorar El decorado se realiza por vitrificación de esmaltes cerámicos colocados sobre el vidrio. Esos esmaltes serán tanto más adherentes cuanto mayor sea la temperatura de su cocción, con la única limitación de la temperatura de reblandecimiento del vidrio. La utilización de la radiación en pantallas radiantes de gas permite, no obstante, sobrepasar ligeramente dicha temperatura, puesto que la decoración cerámica es la única en absorber la energía de radiación, mientras que el soporte de vidrio es transparente y no la absorbe.
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El calentamiento de las arcas de decorar es totalmente análogo al de las arcas de recocer, y puede llevarse a cabo en atmósfera común o en atmósferas separadas. El gas natural, gracias a su pureza, se presta perfectamente para el calentamiento en atmósfera común, ya que los productos de combustión no producen ninguna acción sensible sobre los esmaltes. Como en las arcas de recocer, puede recurrirse siempre al calentamiento por tubos radiantes. •
Recalentamiento de piezas
Este tipoade hornoesta sólooperación existe enesvidrierías dondecalentamientos las piezas se fabrican mano: larga y exige periódicos para dar a la pieza en fabricación la plasticidad necesaria. Los hornos de recalentamiento son, generalmente, pequeños hornos de forma cilíndrica de eje horizontal abiertos por una extremidad y calentados a una temperatura entre 1.200 y 1.300C, por uno o varios quemadores dispuestos tangencialmente a la pared interior del horno, la cual transmite el calor a las piezas, principalmente por radiación. El empleo de gas natural en estos hornos supone la adaptación del quemador o quemadores. Se trata, generalmente, de quemadores de mezcla previa que se regulan según relación estequiométrica. Cuando esos quemadores ya existían quemando propano o butano, convendrá casi siempre agrandar los orificios de salida o colocar cabezales provistos de dispositivos estabilizadores. •
Operaciones al aire libr e
En estas operaciones se produce un calentamiento localizado e intensivo. La llama ataca directamente una zona generalmente pequeña de la pieza, que debe alcanzar la temperatura de fusión rápidamente, para no afectar las zonas próximas con posibles deformaciones. Las características del gas natural, particularmente su velocidad de deflagración, impone ciertas precauciones a los quemadores. Estos deben ajustarse a las dos condiciones siguientes: •
Dar una llama estable con una velocidad de derrame de los fluidos elevada; se caracteriza por la potencia específica, expresada en kcal/h y cm 2 de sección del quemador, que, normalmente, es del orden de 10000 kcal/h/cm 2
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•
Producir una llama de la máxima temperatura posible, cuyas dimensiones, bien definidas, sean constantes para una potencia dada.
Para conseguirlo, la regulación de la combustión y la utilización de un dispositivo de estabilización, a base de llamas auxiliares, compensan una temperatura teórica y una velocidad de deflagración ligeramente más débiles. Ejemplos: Pocas referencias se encuentran referente a resultados de explotación de hornos de balsa y de crisoles, porque los fabricantes de vidrio son muy celosos de sus instalaciones y no quieren divulgar los resultados que han obtenido con quemadores de gas natural que, generalmente, ellos mismos han adaptado a sus hornos. No obstante, describiremos la conversión de los hornos de fusión y recocido de vidrio para la fabricación de vidrieras o ventanales artísticos. Esos especialistas desecharon los métodos antiguos de producción de vidrios de colores, planos, cuyo trasluz sombrío se acentuaba debido a las juntas de cemento. Tras muchos ensayos decidieron utilizar vidrios gruesos de color que tallan con efectoSuprismático, a fin de modificada, dar vida, color y relieve sus vidrieras. unión, igualmente vuelve a ser acomo antes, de plomo. El proceso de fabricación de las vidrieras consiste en dibujar sobre papel el proyecto a escala, e iluminarlo a la acuarela. Dicho proyecto se agranda a su tamaño natural sobre cartón, lo que permite establecer una plantilla para cada vidrio y fijar el espesor del alma de plomo de las uniones. El vidrio se corta y se talla de piezas gruesas en los colores deseados, según la plantilla de cartón. Las piezas se ensamblan luego con las juntas de plomo y, una vez montado el panel, se enmasillan con una masilla líquida que penetra en los intersticios (entre el plomo y el vidrio) y que, una vez seco y solidificado, da una estanquidad total, aumentando la solidez de la vidriera. Los ventanales obtenidos forman composiciones robustas, conpor materiales multicolores, ensamblados plomo gruesos, reforzadotranslúcidos de estaño;y recogen cualquier luz, con colores degradados, agradables a la vista, llenos de diversidad y de vida.
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El problema planteado a principios de 1955 consistía en fabricar el vidrio, ya que no encontraban en el mercado de la medida y colores deseados. Efectuaban entonces la fusión del vidrio, colocándolo en dados y recociendo éstos. Todas estas operaciones se realizan actualmente con gas, con una producción de 40 t/año, gracias a los equipos que describimos a continuación: Horno de fusión: Se trata de un horno de 2 crisoles cerrados conteniendo cada uno de ellos 70 kg, cuyas dimensiones exteriores son:delargo 1,82 m; m; quemador alto: 1,35 de m.aire El calentamiento ese horno se ancho: efectúa 1,28 con un insuflado de baja presión, sin mezcla previa. El caudal del quemador es de 12 m3/h para mantener la temperatura entre 1 300 y 1 360 C. El consumo de puesta en régimen es de 255 m 3 en 72 horas. El aire destinado a la combustión se recalienta en un recuperador de acero refractario, colocado en el conducto horizontal de evacuación de humos. Dicho aire llega al quemador a una temperatura próxima a los 400° C. Las medidas de seguridad consisten en cerrar la llegada del gas, por medio de una válvula electromagnética, en caso de falta de presión de gas, de aire o de falta de corriente. Completan el equipo sistemas de alarma ópticos y sonoros. Los ventiladores eléctricos para el aire de combustión están provistos de una manivela a mano que permite, en caso de corte de corriente, alimentar el quemador con aire y continuar la combustión lenta a fin de evitar la pérdida de la colada y la con deterioración de fijo. los crisoles. El control de temperatura se realiza un pirómetro La producción de piezas de vidrio es del orden de 140 kg/día. La colada se efectúa a mano con cuchara calibrada. Horno de recocer: El recocido de las piezas de vidrio se realiza en un horno de 3 compartimientos. El calentamiento de cada compartimiento está asegurado por 2 quemadores de un caudal total de 12 m3/h, del mismo tipo que el de los hornos de fusión, colocados en las paredes laterales. La carga del horno de 3 compartimientos es de 140 kg. El recocido debe hacerse a una temperatura constante y el ciclo para cada compartimiento es de una hora, aproximadamente. Estos hornos, en razón de su intermitencia, no van provistos de recuperador de calor.
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13.2 INDUSTRIA CERÁMICA Dada la diversidad de las fabricaciones cerámicas y el complejo carácter fisicoquímico de las operaciones térmicas necesarias, la industria cerámica es una de las actividades en que la importancia del combustible es fundamental. La elección de éste puede tener una influencia decisiva no solamente sobre el precio de coste, sino también sobre la calidad de los productos fabricados. La primera materia base de la industria cerámica es la arcilla, producto natural complejo, constituido en proporciones variables, por aluminio y síliceesencialmente, asociadas a cierta cantidad de impurezas, tales como cal, potasio, magnesio, sodio y óxido de hierro. La diferencia entre los productos obtenidos proviene, en parte, de la composición de la arcilla de base y, en parte, de los procesos y temperaturas de cocción. A menudo se precisa una mezcla previa de tierras de diferentes procedencias para mantener constantes las características de un producto. Los grandes grupos cerámicos son: • • • •
Tierras cocidas Lozas Gres Porcelanas
Las composiciones medias de estos productos son las siguientes: Tierras cocidas Loza Gres Porcelana Pérdida al fuego Sílice total Alúmina Oxido de titanio Oxido de hierro Cal Magnesio Potasio Sodio Impurezas varias
15,8 45,0 14,4 0,8 5,1 15,6 0,7 2,2 0,2 0,2
6,9 68,5 20,2 0,5 0,6 0,6 0,3 1,3 0,6 0,5
6,7 67,0 19,7 1,2 1,9 0,3 0,4 1,8 0,3 0,7
0,1 73,3 21,5 0,1 0,3 1,3 — 3,4 1
En el cuadro siguiente se detallan las características principales de cocción de los diferentes productos cerámicos. Debe observarse que el gres ordinario y las porcelanas exigen un cambio de atmósfera durante la cocción.
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La gran variedad de productos cerámicos, que van desde la ladrillería a la loza, refractarios, productos artísticos y porcelanas, exigen para cada uno de los productos características de cocción diferentes. Las operaciones térmicas fundamentales exigidas para la fabricación de los diferentes productos son el secado y la cocción. 13.2.1 Secado Todos los productos a base de arcilla son manufacturados a partir de una Esta pasta última obtenida por mezcla, trituración y amasado de tierras. operación necesita la adición de cierta cantidad de agua. La finalidad del secado es eliminar gran parte de dicha agua, a fin de dar a las piezas manufacturadas una dureza suficiente para permitir su manipulación. Debe realizarse con precaución para evitar deformaciones o fisuras provocadas por una evaporación demasiado rápida. En el curso de los últimos años se han conseguido grandes progresos en la aceleración del secado. Realizado anteriormente al aire libre, durante varios días, actualmente se efectúa en secaderos, más o menos mecanizados, en tiempos que pueden ser inferiores a una hora. Las técnicas de construcción de los secadores son de una gran variedad: cámaras fijas con alimentación por vagonetas o por transportadores de jaulas, túneles continuos, etc. Sus características determinadas en función de las dimensionesvienen de lasesencialmente piezas, del tonelaje y del circuito de los productos en la fábrica. Sean las que fueren, el gas natural constituye un combustible particularmente apreciado. En la mayoría de los casos, y sin ningún inconveniente para el producto y el material, es posible efectuar un calentamiento directo, esto es, con una mezcla de aire y de productos de combustión en el aire en proporción de aire suficientemente elevada para poder considerarlo como aire puro. El rendimiento térmico, en estos casos, es próximo al 100%. El secado puede también hacerse, completamente o en parte, por radiación: con gas natural es relativamente fácil conseguir una combinación armónica entre radiación y convección que permita una aceleración sensible del proceso, evitando todo riesgo inherente a tal rapidez. Finalmente, teniendo cuenta el calor sobrante o perdido en los hornos de cocción, lasenoperaciones de secado pueden realizarse, totalmente o en parte, por recuperación de los humos o del aire de enfriamiento.
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13.2.2
Cocción
Esta operación, cuyos principios son comunes a todos los productos, presenta, no obstante, una gran diversidad según sea la naturaleza de las tierras, procesos de fabricación y temperaturas de cocción. La cocción, a través de un conjunto de modificaciones fisicoquímicas complejas, tiene por objeto conferir al producto fabricado cierto número de cualidades como dureza, impermeabilidad, resistencia mecánica, aspecto, etc. Según los casos, puede realizarse en una o varias fases, y ello nos conduce a analizar separadamente, para cada tipo de cerámica, el proceso de cocción, los hornos y el empleo del gas natural. 13.2.2.1 Productos d e tierra cocida La cocción se efectúa, en este caso, en una sola operación durante la cual el producto se lleva progresivamente a una temperatura comprendida entre 900 y 1 0500 C, y luego es enfriado lentamente hasta la temperatura ambiente. La curva de temperaturas debe, tanto en su parte ascendente como descendente, tener en cuenta las zonas críticas correspondientes a los puntos de transformación de la arcilla y de la sílice. En la cocción de todos los productos cerámicos, la curva de temperaturas correspondiente a una pieza cualquiera, tratada sola, puede ser muy corta. La experiencia ha demostrado que el tiempo de cocción es del orden de una hora para muchos productos. En la práctica, cada pieza no se cuece sola; teniendo en cuenta que se cuece a la vez una carga más o menos importante, y que el producto es mal conductor del calor y ofrece una importante inercia térmica, la operación opone una resistencia considerable a la subida de temperatura. La necesidad de hacer subir homogéneamente toda la carga obliga a aminorar el régimen de marcha. Este inconveniente queda agravado por la inevitable heterogeneidad de un horno de cocción, en el que la convección natural favorece siempre las partes altas en perjuicio de las bajas. El registro de las curvas de temperaturas tomadas en diferentes puntos de la carga demuestra con evidencia el retraso que experimenta la parte inferior en la subida de temperatura, retraso que impone una disminución de marcha para permitir a los diferentes puntos de la carga que alcancen todos ellos el nivel de temperatura máxima exigida por la cocción. Estas dificultades son tanto mayores cuanto más amplias son las secciones de los hornos y más importantes los tonelajes tratados. La fabricación de productos de tierra cocida se efectúa siempre en grandes partidas, con una densidad de carga máxima. La cocción resulta pues muy lenta, y se necesitan varios días para grandes unidades.
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Sin entrar en detalles sobre los principios de construcción de los hornos de cocción empleados, distinguiremos dos grandes tipos: • •
Hornos de fuego móvil, como el Hoffmann, el de zig-zag, el de cámaras paralelas, etc. Hornos túnel, cuyo empleo tiende a generalizarse.
Nos ocuparemos de examinar el problema de sus equipos de combustión adaptados al gas. 13.2.2.2 Hornos de fuego móv il Estos hornos, de construcción antigua, fueron concebidos para su funcionamiento con carbón. Progresivamente, el carbón fue abandonado por el fuel-oil o por el gas natural. La misma construcción impone la forma de empleo de estos últimos dos combustibles, que sólo pueden introducirse por los orificios dispuestos en su bóveda para la introducción del carbón. La dificultad reside en el hecho de que así como éste, cayendo por gravedad, quedaba al pie de la carga, consiguiendo así la heterogeneidad mencionada anteriormente, los combustibles líquidos y gaseosos se inflaman en el momento mismo de su inyección en el horno, y queman sobre todo en la parte alta, que se encuentra favorecida en relación a la baja. Con el gas natural esta dificultad es todavía más sensible, debido a su débil densidad y a la rapidez de su mezcla con el aire. Para paliar esta dificultad, se inyecta el gas natural a alta presión, con velocidades de salida superiores a lasantes de inflamación, lo que la combustión no se inicia de que se con igualen ambas velocidades. Esta solución es de gran simplicidad, pues el quemador de gas se reduce a un simple inyector y ha dado excelentes resultados. Los consumos específicos de estos hornos varían en función de diversos factores: naturaleza del horno, clase de tierras y productos, densidad de carga, temperatura de cocción, número y situación de los quemadores, regulación de la combustión, etcétera, pudiendo alcanzar cifras comprendidas entre 35 y 90 Nm3/t, cuya media se sitúa alrededor de 45 a 47 Nm 3/t. El empleo del gas natural ha aportado mejoras muy importantes en el funcionamiento de estos hornos, mejoras debidas principalmente a: • Calidad de los productos, • • • •
Disminución de rechazos de cocción, Productividad, Condiciones de trabajo del personal, Disminución de gastos de conservación.
349
13.2.2.3 Horn o tún el El horno túnel se presta a una mayor diversificación de los equipos de calentamiento. Sin embargo, teniendo en cuenta la importancia de la carga, su densidad y las secciones del horno, las condiciones equivalen a las del horno Hoffmann, puesto que no se dispone para desarrollar la combustión de los espacios previstos durante la carga entre los empilados de productos. Los primeros hornos túnel se equiparon pues igual que los hornos Hoffmann, introduciendo el combustible por el techo, reforzando la acción por medio de quemadores laterales, situados sobre las paredes laterales del partes horno, inferiores. con el finUltimamente de mejorar han el calentamiento de las aparecido en el mercado (especialmente para la cocción de loza sanitaria) hornos túnel más racionales, con calentamiento vertical de abajo a arriba por medio de quemadores situados en la solera (ver ejemplo). Poco a poco, los simples inyectores de gas de los hornos Hoffmann se han ido sustituyendo por otros, de combustión más racional, con alimentación separada de aire y gas, de forma que pueda modelarse la llama y extenderla por toda la altura del horno. En algunos casos, se ha efectuado un reciclado de los humos con el fin de retardar la combustión y facilitar el calentamiento de la parte baja. También se han sustituido con indiscutible ventaja los quemadores ordinarios por quemadores de chorro «jet». El registro sobre de temperaturas diferentes puntossucesivamente de la carga, efectuada los mismos en hornos, equipados con diferentes tipos de quemadores, han demostrado la posible mejora de la isotermia del horno con beneficio directo del consumo de gas. Igualando la temperatura de la parte baja con la parte superior de la carga, es posible reducir el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de cocción en toda la carga, que se traduce en un aumento de la producción y en una disminución del consumo específico de gas. Se produce, por otra parte, una mejora sensible de la calidad, que se manifiesta particularmente en las tejas, cuya coloración queda perfectamente uniforme. En cualquier caso, la adopción del gas natural produce una reducción en las inversiones, gracias a la simplicidad de construcción de sus quemadores y una disminución de los gastos de explotación, debida a la supresión de los costes de mantenimiento. El gas natural se se presta, además, introducir una regulación automática, lo que traduce en unaa reducción considerable de mano de obra para el funcionamiento y la vigilancia del horno y del proceso.
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13.2.2.4 Productos cerámicos propiamente dichos: lozas y azulejos, gres y porcelanas En general, las lozas pueden definirse como tierras cocidas cuya porosidad se ha suprimido por una capa llamada esmalte, que le confiere a la vez impermeabilidad y aspecto decorativo. La primera materia es una arcilla más rica en sílice que la utilizada para la tierra cocida, con un contenido de impurezas mucho menor (ver cuadro anterior de composiciones medias). La cocción puede efectuarse, sea de una vez (esmaltado sobre crudo) sea en dos fases (esmaltado sobre producto de primera cocción o bizcocho). El decorado puede colocarse sobre el esmalte y ser recocido con éste, o bien sobre el esmalte cocido y srcinar una tercera cocción. Las arcillas que se utilizan en la fabricación de los gres y porcelanas, generalmente llamadas kaolines, son semejantes a las precedentes. La diferencia esencial estriba en que, gracias a una cocción a temperatura más elevada, la pasta vitrifica en la masa y pierde toda porosidad sin necesidad de recurrir a una capa impermeable. En algunas calidades, sin embargo, se recurre al esmalte para obtener un aspecto más decorativo. Los tipos de hornos utilizados son similares para todos esos productos; no obstante, la calidad de los refractarios del horno debe ajustarse a las temperaturas que deben alcanzarse. Los hornos de cámara con hogares laterales son actualmente poco utilizados y tienden a desaparecer. No obstante, la conversión a gas natural se efectúa con pleno éxito. Su transformación es muy sencilla: basta colocar un quemador en cada hogar suprimiendo la parrilla de carbón o sustituyendo el quemador de fuel-oil. Los quemadores serán del tipo de alimentación separada de gas y aire, la cual permite ajustar las dimensiones de la llama a las características de la cámara. En los hornos túnel, como en los de alfarería, la carga a cocer se coloca sobre vagonetas o sobre placas deslizantes o rodillos, y se desplaza en el interior del túnel, donde una circulación metódica de los humos y del aire de combustión asegura una doble recuperación: •
por utilización del calor queelarrastran los humos a la salida la zona de fuego, para calentamiento progresivo de de la carga;
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•
por calentamiento del aire de combustión que atraviesa la zona de enfriamiento, recuperando el calor arrastrado por la carga cocida.
El ciclo correspondiente a este proceso se caracteriza por una curva de temperaturas a lo largo del horno sobre la cual se sitúan las zonas de precalentamiento, cocción y enfriamiento. Dicha curva de temperatura varía según el horno, el producto y el proceso de cocción. Debe tenerse en cuenta las distintas fases de cocción y, en particular, las precauciones a tomar en las proximidades de los puntos de transformaciones del producto. Debido a tales exigencias, el combustible empleado debe permitir una regulación fácil y precisa, así como un reparto y una posición juiciosamente determinada de los quemadores para que aseguren, en cada punto del horno, el aporte de calor perfectamente adaptado al ciclo de cocción. El gas natural se presta admirablemente a estas exigencias. La disposición de los quemadores permite mejorar la isotermia del horno, que se traduce por: • •
aumento del porcentaje de productos de primera calidad, disminución de los rechazos.
Para conseguir estos resultados, consecuencia de la uniformidad de temperaturas en la parte alta y baja de la carga, se ha recurrido quemadoresdeenquemadores la bóveda con inyección adediversos gas-airedispositivos: a presión, colocación en las paredes laterales del horno, colocación de quemadores al nivel de la solera, con combustión vertical de abajo a arriba y, finalmente, utilización de los quemadores de chorro a alta velocidad o quemadores «jet». Por otro lado, la constancia de la composición del gas permite una mejor regulación de la atmósfera necesaria para la cocción de gres y porcelana, la cual exige una atmósfera reductora en un período del ciclo de cocción. También la pureza del combustible y, sobre todo, la ausencia de azufre ha permitido la cocción a fuego directo, suprimiendo la mufla, en ciertos hornos dedicados especialmente a loza sanitaria, esmaltado, decorado y fabricación de aisladores eléctricos de porcelana. Finalmente, los hornos-célula constituyen un útil de trabajo precioso para la industria concebidos para la utilización de gasescerámica. ricos: gasEspecialmente natural, propano y butano, han permitido una reducción muy importante del tiempo de cocción, gracias a sus dimensiones reducidas y a su facilidad de regulación.
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Además, su elasticidad de marcha permite seguir las fluctuaciones de la producción mucho más fácilmente que el horno túnel, del que constituye el elemento complementario. El horno túnel se adapta mejor a la producción de grandes series, que permiten una mayor homogeneidad de carga. El horno célula conviene más a las pequeñas series o a piezas especiales que exigen un ciclo de cocción apropiado. El funcionamiento con gas puede ser completamente automatizado: la marcha del h orno puede ser programada en tiempos, temperaturas y atmósferas, y la cocción llevada a cabo del principio al fin sin ninguna intervención manual. La cocción de la decoración se efectúa en hornos fijos o en hornos túnel muflados de pequeña sección y de ciclo rápido, cuya marcha y conducción está enteramente automatizada. El calentamiento de estos hornos está realizado por un pequeño numero de quemadores. Los productos de la combustión circulan entre la pared exterior y la mufla que constituye la cámara de combustión: a su salida se evacuan a la atmósfera después de pasar por la zona de introducción de piezas, en la que aseguran su precalentamiento. La recuperación así realizada contribuye a mejorar el rendimiento global del horno. Los hornos que hemos citado son los tipos más corrientes en la industria cerámica, pero existen otros tipos, algunos de los cuales son derivados de los anteriores: • • • • • • • • • •
Horno solera móvil Horno de de cámara zig-zag ycon derivados del Hoffmann Horno de pasaje de baja y alta sección Horno túnel, muflado y semimuflado Horno de losetas muflado y de llama directa Horno de rodillos Horno de bandejas Horno rotativo para fusión y fritado de esmaltes Horno de balsa para fusión y fritado de esmaltes. En todos ellos es posible y fácil su transformación a gas natural.
Ejemplos: A) Ladrillería moderna produciendo 750 t/dia asegurada por un horno túnel de 300 t/día de ladrillos; un horno túnel de 220 t/día. El resto se produce en dos hornos Hoffmann antiguos. Todas las instalaciones existentes: hornos, secadores y generadores de vapor están alimentados por gas natural.
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Vamos a describir el horno túnel y los quemadores del horno más moderno: Longitud del horno Anchura útil Altura útil Capacidad
: 102 m : 3,42 m : 1,95 m : 32 vagonetas
Tipo de paso de cada vagoneta : 21 a 25 h, es decir, avance medio vagón cada 20 min aprox. Producción diaria
: variable 300 t, según la densidaddede280 los aproductos, es decir: 12 t/h, aprox.
Ver esquema (Figura 13.2 ). Figu ra 13.2 Esquema del horno túnel cerámico
Su particularidad reside en la construcción de la bóveda, muy ligera, plana y suspendida, empleando ladrillos refractarios ligeros, de densidad inferior a 1, lo que ha permitido establecer una estructura metálica de soporte con perfiles laminados normales pequeña sección. el buen aislamiento térmico dedeesos ladrillos (22 cmAdemás, de espesor en la zona de cocción) permite obtener un balance térmico muy satisfactorio.
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Los muros laterales de la zona de cocción han sido concebidos también para obtener un excelente aislamiento. Están formados por 22 cm del material anterior, 22 cm de ladrillos «isoperlor», y los ladrillos rojos de revestimiento exterior, con un espesor de 29 cm, los cuales sirven de apoyo a la estructura metálica de la bóveda. Figu ra 13.3 Quemador C.E.R.I.C.
En la zona de precalentamiento de la carga se instalaron 18 quemadores de impulsión, con premezcla total aire-gas, con una potencia nominal de 1 850 termias/h. La velocidad de salida de los productos de combustión es tal (120 m/s) que la subida de temperatura, tan delicada entre los 300 0C y los 700 0C, puede efectuarse rápidamente gracias a la excelente homogeneización de la entrealalasolera y la bóveda del horno, contribuyendo detemperatura esta manera obtención de productos de un color completamente uniforme.
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En la zona de cocción se han dispuesto verticalmente, en la bóveda, 12 hileras de 4 quemadores (48 en total) alimentados también con aire pulsado, que permiten una combustión prácticamente sin llama visible y un perfecto equilibrio de la temperatura en todos los puntos de la zona de cocción. Los 48 quemadores están repartidos en 6 zonas comprendiendo dos líneas de 4 quemadores cada una, regulada cada zona por un regulador de temperatura en conexión con unas electroválvulas de alimentación de gas. De esta forma, la cocción puede garantizarse con gran precisión, y progresivamente, entre 800 y 955 0C. En la Figura 13.3 se detalla esquemáticamente este tipo de quemadores verticales. En la zona de enfriamiento, donde se trata de llevar los productos a la temperatura ambiente, recuperando al máximo el calor que contienen, sin someterlos a variaciones brutales de temperatura, el aire que circula por el interior del horno es tomado en la bóveda por dos ventiladores y enviado a los quemadores como comburente y parte al secadero. El consumo específico de calor no sobrepasa las 485 termias P.C.I/t para el conjunto de operaciones de la fabricación, secado y cocción. La mano de obra se reduce a 15 hombres repartidos en tres turnos. Toda la preparación de tierras, amasado, prensado y secado está completamente automatizada. B) Fabricación de az ulejos d ecorados Se trata de la fabricación de azulejos de loza decorados y en relieve a escala industrial. Se producen 80 000 m 2 de azulejos por mes, de una gama muy variada, comprendiendo unos 600 modelos de una constante regularidad de dimensiones (108 x 108 mm) y de buena calidad. La cocción del bizcocho se efectúa en un horno túnel normal de llama directa, de una longitud de 90 m, en el cual se calienta progresivamente hasta alrededor de los 1 250 0C, donde sufren la transformación termoquímica necesaria, saliendo con la blancura conveniente. Métodos de control estadístico permiten mantener una calidad elevada del bizcocho, eliminando todo defecto. Los azulejos lisos se dirigen hacia la decoración, los de relieve directamente al esmaltado.
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La cocción de las piezas esmaltadas se realiza con dos hornos muflados tipo Dressler, asegurando el calentamiento protegido de los gases de combustión (Figura 13.4) . La temperatura de cocción es de 1 070 0C, y las piezas pasan sucesivamente a una antecámara de entrada y luego a la zona de precalentamiento, equipada de un reciclado de la atmósfera a fin de realizar la homogeneización de temperaturas entre la parte alta y baja de la carga. Después de la cocción pasan a una zona de enfriamiento equipada como el horno de bizcocho: una zona de enfriamiento rápido, normal.una zona de enfriamiento lento y una zona de enfriamiento La zona de cocción está equipada de quemadores de pre-mezcla gas-aire inducido, alimentados a una presión de gas de 1,5 kg/cm2 efectivos. Los quemadores están reunidos en grupos y sometidos a la acción de un regulador neumático de temperatura. Figur a 13.4 Horno continu o tipo Dre ssler
El conjunto de los aparatos de control y de regulación, así como los órganos de mando de los motores, están reunidos en un armario que agrupa todas las funciones, y permite, por medio de esquemas sinópticos, situar cada uno de los aparatos en marcha.
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CAPITULO
XIV
GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA TEXTIL
En la industria textil la utilización de vapor de agua o de agua caliente, representa el 90 % de las necesidades térmicas, entre las que se incluyen las correspondientes a la calefacción y humidificación de naves y locales. Independientementedela s ventajas de que puedebeneficiarsela industria textil con el empleo del gas natural como combustible para los casos citados, describiremos a continuación algunos de los procesos de transformación de dicha industria que utilizan la combustión directa de gas natural. 14.1
CHAMUSCADO DE HILOS Y TEJIDOS
El tratamiento más difundido por acción directa de la llama es el chamuscado que, al eliminar la pelusa de las fibras, contribuye a lograr una superficie más uniforme, más brillante y con mejor presentación. Los quemadores para chamuscado de hilos se reducen a una cámara de combustión cilíndrica por cuyo eje pasa el hilo. Las máquinas de chamuscado de hilo están equipadas con un gran número de quemadores dispuestos en paralelo. Deben alimentarse con una mezcla de aire y gas en quemadores de aire inductor y gas inducido, o en máquinas mezcladoras. El consumo de gas varía de 40 a 90 kJ por km de hilo, en función del peso del hilo (10 a 50 g/km), de su velocidad (350 a 800 m/mn) y de la producción horaria (20 a 50 km de hilo/h). El quemador clásico para chamuscado de tejidos consiste en una cámara robusta, de longitud no inferior a la anchura de la pieza a tratar, alimentada por una premezcla de aire y gas. El quemador se dispone perpendicularmente al tejido, produciendo una llama que choca contra su superficie. La velocidad del tratamiento depende del peso del tejido y de la calidad deseada. Para tratamientos corrientes sobre tejidos de 1,70 m de anchura, el consumo resultante de gas natural por kilogramo de tejido tratado oscila alrededor de 0,05 termias para tejidos pesados y de 0,1 termias para tejidos ligeros. Un resultado análogo al del chamuscado se obtiene al someter a los tejidos al contacto de placas metálicas calentadas al rojo por quemadores a gas natural, de pequeña potencia, distribuidos debajo de las placas.
361
14.2
SECADO MEDIANTE CILINDROS
Existen en la industria textil diversos tipos de secadores que, al entrar en contacto con el producto a tratar, determinan la pérdida de la humedad de éste. Estos cilindros pueden calentarse mediante quemadores rampa a gas natural, dispuestos según su eje, bien sea directamente o bien por mediación de una camisa de agua que asegure una homogénea repartición de la temperatura sobre la superficie del cilindro. 14.3 PRESECADO POR RADIA CIÓN Los paneles radiantes a rayos infrarrojos son utilizados frecuentemente como complemento de las operaciones de presecado en máquinas generalmente provistas de otro sistema de calefacción. Este equipo complementario resulta útil bajo un doble aspecto: •
Aumenta la capacidad de producción de un material en explotación;
•
Permite obtener este resultado sin aumentar la carga de la fuente de energía existente, en la mayoría de los casos un generador de vapor.
14.4 POLIMERIZACIÓN El calentamiento por radiación ha sido aplicado con éxito a máquinas de polimerización de apresto o resinas pigmentarias. Los polimerizadores comprenden una sección de calentamiento por radiación en la cual el tejido es llevado a la temperatura de tratamiento en dos o tres segundos; a continuación viene una zona de mantenimiento de la temperatura conseguido por convección a través de los productos de combustión y, por último, la polimerización concluye en la parte alta del polimerizador, cuya temperatura es regulable. 14.5 SECADO POR CONVECCIÓN La convección natural consiste en utilizar directamente el calor de los productos de combustión procedentes de quemadores situados bajo el tejido a una distancia suficiente para evitar sobrecalentamientos locales. Los productos de combustión se mezclan con el aire y calientan por convección los productos a tratar.
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Este sistema se utiliza en algunas máquinas Rama, de velocidad de tratamiento relativamente baja, que justifica este dispositivo sencillo pero suficiente para su capacidad de producción. 14.6
MÁQUINA RAMA
Una máquina Rama a convección forzada se compone de varios compartimientos idénticos, de una longitud aproximada de 3 m, incluyendo cada uno su propio dispositivo de calefacción y ventilación. Las máquinas Rama asocian al efecto térmico una acción mecánica de estirado transversal del tejido, cuyos bordes se sujetan lateralmente mediante unas pinzas arrastradas por dos cadenas sin fin, que permiten la traslación del tejido en un plano horizontal. La zona de combustión del gas se encuentra siempre en depresión con respecto al recinto calentado, depresión motivada por los ventiladores de barrido. La combustión se realiza, bien sea en el interior de tubos perforados de acero refractario o bien directamente en una vaina de aspiración de aire fresco y atmósfera reciclada. Existen dispositivos especiales que permiten efectuar el calentamiento directo o indirecto a voluntad del usuario. Un registro especial permite evacuar los productos de la combustión al exterior, a través de una chimenea, o bien introducirlos, total o parcialmente, en el interior de la Rama. La potencia térmica requerida varía entre 120 y 200 termias/h por compartimiento, según sean los tratamientos a realizar y el peso por metro del tejido a tratar. Se consigue dicha potencia por medio de un número variable de quemadores, así como por distintos sistemas de alimentación. La regulación automática de la temperatura se realiza individualmente para cada uno de los compartimientos a través de las indicaciones de un detector situado generalmente frente a los ventiladores de barrido. Las ventajas del calentamiento directo a gas natural son de orden técnico y económico. Ventajas de ord en técnico: •
Espacio reducido: El espacio en una Rama para la cámara de combustión de gas es mucho menor que el del intercambiador correspondiente, lo cual facilita la adaptación de equipos de calefacción directa a gas en los aparatos existentes.
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•
Gran flexibilidad térmica: la instalación de potencias caloríficas altas, unido a la baja inercia térmica del dispositivo de calentamiento, permiten obtener una rápida variación de temperatura en la cámara de tratamiento, disminuyendo con ello los riesgos de deterioro de tejidos.
•
Simplicidad de construcción y funcionamiento; la construcción de los aparatos se simplifica por la supresión de vainas, chimeneas, intercambiadores, etc., necesarios en el
calentamiento indirecto. Ventajas de orden económico: •
•
•
•
•
Gastos de inversión reducidos: la simplicidad del procedimiento permite reducir notablemente los gastos, tanto en la adquisición de nuevos aparatos como en la adaptación de los existentes. Gastos de mano de obra bajos: los gastos de explotación imputables al calentamiento a gas son prácticamente nulos, en razón del automatismo de los equipos. Consumo reducido: el consumo de combustible es extremadamente reducido, ya que los productos de la combustión del gas contribuyen íntegramente al calentamiento de la máquina. Gastos de entretenimiento mínimos: los gastos de entretenimiento de los quemadores son prácticamente nulos, así como los de limpieza y conservación las partes mecánicas internas del aparato, debido a de la combustión completa del gas. Mejora de la productividad: la potencia y baja inercia térmica de los equipos de calentamiento directo a gas permiten variaciones rápidas de temperatura, reduciéndose los tiempos muertos que separan las operaciones sucesivas efectuadas a distintas temperaturas, pudiéndose incrementar el número de tratamientos durante una misma jornada.
Ejemplo:
Tratamiento de textiles
Los textiles de todas clases, naturales, artificiales y sintéticos, excepto la lana, son tratados en una planta donde se procede a su blanqueo, tinte y apresto. La capacidad de tratamiento es de 500 piezas de 100 m de longitud por día. El equipo está diversificado función de los tratamientos realizados, y los aparatos en están calentados con vapor, electricidad y gas natural. Aparte de las instalaciones de lavado y tinte, que no describimos aquí, la fábrica está provista de los elementos térmicos siguientes:
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1 máquina Rama de calentamiento m ixto vapor y gas; 1 «Hot-Flue» calentado por vapor y electricidad; 1 presecador calentado po r gas mediante paredes radiantes. Finalmente citaremos otros diversos materiales calentados por gas, pero de menor importancia: 2 mercerizadoras, 1 estampadora, 1 flameadora. Vamos a discutir someramente la Rama y el presecador. La Rama está formada por la yuxtaposición, en longitud, de cuatro compartimientos primero estátres calentado sólo está por vapor, mientras idénticos. que cada Eluno de los siguientes equipado, a la vez, de tubos de vapor con aletas y de quemadores de gas. Para el secado hasta 160-165 0C el calentamiento se hace sólo con vapor, pero para los tratamientos térmicos de fibras sintéticas hasta 220 0C, el calentamiento es mixto: vapor y gas. El calentamiento únicamente con vapor puede evaporar 810 kg/h. La Rama trabaja por convección forzada de aire caliente o, en la marcha mixta, por una mezcla de aire caliente y productos de combustión de gas. Cada compartimiento está equipado de 8 ventiladores de reciclado, a razón de 4 por cada lado (Figura 14.1), montados sobre un eje único y accionados por un motor de velocidad de transmisión por polea. Cada compartimiento lleva dos puntos de extracción, a excepción del primero, que lleva solamente Los ventiladores reciclado descargan sobre un cambiador uno. de calor formado por de tubos de aletas, por las cuales circula el vapor. La corriente de aire pasa después por un conducto formando cámara de combustión del quemador, mezclándose con los productos de combustión de éste. Cada uno de los tres últimos compartimientos de la Rama está equipado de dos quemadores antorcha, colocados cada uno en la cámara de combustión por donde circula el aire de reciclado. La potencia total del equipo térmico de gas es de 360 termias (calculado en P.C.I.).
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Figu ra 14.1 Esquema de la Rame con in dic ación d e sistema de cale ntamiento y situación de los p untos de extracción
Cada quemador antorcha está alimentado con premezcla de aire y gas, producida en una máquina mezcladora. El quemador se enciende por un piloto alimentado igualmente con premezcla. Este piloto lleva un termopar de detección de llama que actúa sobre la válvula de mando electromagnético de la válvula neumática de seguridad del circuito del quemador (Figura 14.2 ). La válvula motorizada de regulación de mando electromagnético está accionada por un galvanómetro indicador y regulador de temperatura, conectado a un termopar situado en el conducto de aire, después del quemador que, por diferencia con una temperatura de consigna, permite la regulación en tres etapas: todo, progresivo y nada (paro de quemadores). Dicha válvula motorizada está situada en el circuito de aire del quemador, y la presión del aire detrás de dicha válvula actúa sobre una válvula neumática de regulación situada en el circuito de gas. El funcionamiento del quemador está supeditado al de los motores de los ventiladores de extracción y a la presión de alimentación de gas detectada por un manostato de máxima y mínima.
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Figu ra 14.2 Esquema de alimentación de aire y gas de un quemador Rame
Aparte de la regulación de temperatura utilizada en el calentamiento mixto vapor y gas, la Rama está equipada de un sistema de regulación de la velocidad de paso del tejido, en función de la humedad residual a la salida, y que funciona incluso en el caso de calefacción sólo por vapor. El órgano detector es un psicómetro palpador que mide la resistividad eléctrica del tejido húmedo actuando sobre un motor de m/mm velocidad permite una variación de paso entre 20 y 100variable m/mm, que con aceleración lenta y desaceleración rápida. El presecador colocado antes de la «Hot-Flue» permite bajar la humedad del tejido de 100 a 30 % y tiene una capacidad de evaporación de 180 kg de agua por hora. Completamente calentado por gas, el presecador está equipado con 56 paneles radiantes. La transmisión de calor se efectúa en su mayor parte por radiación infrarroja, pero también en parte por convección del aire caliente y de los productos de combustión del gas. Estos últimos se evacuan mediante un ventilador de extracción. La velocidad de paso se regula en función de la de paso por la «Hot-Flue». La regulación de temperatura se hace por «todo o poco», en función la medición temperatura del aire caliente por termopar, quedeaccíona una de válvula de mando electromagnético sobre un by-pass de la alimentación en gas de los paneles radiantes.
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La llegada del gas está condicionada al funcionamiento del extractor. Los paneles se encienden por resistencias eléctricas y no llevan detector de llama.
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CAPITULO
XV
RECOMENDACIONES PARA
EL CONTROL Y MANTENIMIENTO DE EQUIPOS TÉRMICOS INDUSTRIALES UTILIZANDO GAS NATURAL
El control y el mantenimiento de los equipos térmicos que utilizan gas natural resulta considerablemente más sencillo que cuando se utilizan otros combustibles, debido a su limpieza y facilidad de manipuleo y combustión, pero podría ocasionar los mismos problemas si no se efectúa en la forma prevista y programada. El «control» tiene por objeto comprobar el funcionamiento y las condiciones de marcha de las instalaciones. El «mantenimiento» tiene por objeto conservar o volver a poner en buen estado los equipos. Caso de desarreglos o averías, la «reparación» tiene por objeto la sustitución o reparación las piezas o elementos defectuosos, con objeto de volver de a colocar la instalación en funcionamiento normal. El mantenimiento consiste en una serie de operaciones que hay que prever de manera periódica: limpieza, control, comprobaciones, ensayos, mediciones y sustitución normal de piezas gastadas (lámparas, por ejemplo) en vistas al funcionamiento correcto de los equipos. La reparación es una operación de carácter accidental y puede presentarse de improviso. El mantenimiento tiene carácter preventivo, y en gran medida el buen mantenimiento suprime la reparación. Si aquél se realiza periódicamente se evitan generalmente desarreglos accidentales costosos y generadores de paros prolongados. El mantenimiento se admite como cosa normal en toda clase de máquinas, pero en los equipos térmicos parece que a veces se considera como un lujo, lo que constituye un error de graves consecuencias. El quemador y todo el equipo de calentamiento con sus órganos de regulación y de seguridad deben merecer especial atención. Resulta de gran utilidad para los industriales disponer de las instrucciones de los constructores de equipos térmicos, para la explotación, mantenimiento y reparación de sus aparatos, así como una lista de las piezas de recambio que sea conveniente tener en stock. Una buena práctica en el control y el mantenimiento de los hornos, calderos y demás equipos térmicos, consiste en asegurar que se cumplan las condiciones de explotación que se establecieron para su funcionamiento, cuyos puntos principales son:
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• • • • •
Capacidad de producción, Calidad de los productos, Rendimiento térmico, Seguridad de funcionamiento, Higiene de las condiciones de trabajo,
La condición ideal de operación para cualquier equipo será aquella prevista en su diseño, el cual implica la precisión y regulación de la combustión; sin embargo, las causas de posibles desarreglos son múltiples: • Las derivadas de las condiciones de marcha de los quemadores, mecanismos de regulación, sistemas de control, etc., •
La obstrucción de filtros, cámaras de combustión, conductos, galerías de humos, etc.
•
Las corrosiones químicas, las contracciones térmicas, los desgastes mecánicos, etc.
•
El envejecimiento de las membranas de los contadores, reguladores de presión, sensores. etc.
Es fácil establecer criterios sobre los elementos que hay que controlar y cómo debe hacerse su mantenimiento, excepto en lo que se refiere a la combustión. No hay regla general aplicable a cómo debe realizarse la combustión en los equipos térmicos. Debido a que el contenido de calor en productos de combustión es mínimo para una temperatura determinada, cuando la combustión se realiza estequiométricamente, es decir, sin exceso ni falta de aire, no se obtienen datos de aplicación general que sirvan para buscar el mejor funcionamiento de un aparato u horno existente. En efecto, la composición de los productos de combustión puede depender de los efectos químicos particulares que se deseen obtener sobre los productos a tratar (metales, productos cerámicos, etc.) o corresponder de temperaturadecorados, impuestos colores, por los procesos, o resultar adeniveles los efectos de dilución por aportaciones adicionales de aire resultantes de la concepción de los equipos.
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De la misma manera, la natura leza de las llamas, unida a la intensidad mayor o menor de la combustión, es función de las transferencias de calor deseadas, progresivas o localizadas. En general, todo el control de la combustión debe referirse a las condiciones particulares propias del equipo examinado, tal como el constructor lo ha previsto y tal como la práctica de la explotación industrial lo ha confirmado o ha hecho variar voluntariamente. Cualquier regulación de la combustión que tenga por efecto cambiar la composición de los productos de combustión contacto las cargas tratadas, soportes de carga o las en paredes de con los intercambiadores de los calor, no debe realizarse si no es con la seguridad de que la modificación de la composición es compatible con la calidad de los tratamientos y el comportamiento de los materiales. Igualmente, las regulaciones que tienen por efecto cambiar la marcha de la combustión, su intensidad, la forma de las llamas, etc. no deben realizarse si no se tiene la certeza de que las condiciones de los intercambios térmicos con la carga y los materiales se mantienen rigurosamente o se me joran. Estas observaciones, enunciadas en forma negativa, podrían hacer creer en una dificultad excepcional en el control y mantenimiento de los equipos térmicos de gas. Pero significan, solamente, que deben evitarse los errores procedentes de intervenciones mal preparadas, fundadas en referencias insuficientes con respecto al normal funcionamiento de los equipos. Exponemos a continuación las recomendaciones establecidas por la «Comisión de las Utilizaciones» de la Association Technique de l’Industrie du Gaz (A.T.G.) de Francia, con motivo de su 92.0 Congreso. Dicho documento consta de tres partes: •
Primera parte : control y mantenimiento corriente de los principales elementos de los equipos térmicos de gas.
•
Segunda parte : reparaciones, casos de averías.
•
Tercera part e: medios corrientes de control.
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15.1
CONTROL Y MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS TÉRMICOS DE GAS
Se presenta bajo la forma de unos cuadros correspondientes a cada uno de los elementos componentes de los equipos: En la primera columna se detalla el componente objeto del mantenimiento. En la segunda columna se establecen los controles que deben hacerse sobre el componente. En la tercera columna anteriores. se detallan los medios utilizados para establecer los controles En la cuarta columna se hace referencia a la periodicidad de los controles. En la quinta columna se detallan las anomalías eventuales que pueden haberse descubierto con los controles. Finalmente, en la sexta columna se incluyen las operaciones de mantenimiento que deben efectuarse, para conservar en buen estado los aparatos o para volver a colocarlos en buen funcionamiento. 15.2 REPARACIONES, CASO DE AVERÍAS Acabamos de pasar revista a los elementos componentes de los equipos térmicos que han de ser objeto de operaciones corrientes de control y mantenimiento. También se han señala do las anomalías eventuales propias de cada uno de ellos. En el caso en que una de esas anomalías se identifique con la causa de una avería, la reparación de ésta es idéntica a la operación de mantenimiento. Sin embargo, puede suceder que la causa de una avería no sea inmediatamente identificable, y que la búsqueda de esa causa necesite una encuesta metódica que puede conducirse siguiendo las indicaciones contenidas en esta segunda parte. No debe olvidarse que la investigación de las causas de una avería se facilita grandemente cuando la instalación está provista de un cuadro de señalización de defectos. En esta parte, las averías posibles de los equipos térmicos se reparten en tres fases de funcionamiento:
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15.2.1 Averías de encendid o Defectos que afectan a la producción 15.2.2 Paros intemp estivo s Al igual que anteriormente, se presenta en forma de cuadros. En la primera columna se designa el elemento componente o la característica del equipo. En la segunda columna se enumeran las causas posibles de la avería. En la tercera columna se indica la operación se a efectuar reparación y, eventuales finalmente, en columna señalanpara las laprecauciones quela quinta deben tomarse. Antes de emprender una reparación hay que asegurarse de que la avería es efectiva y no aparente. Si para la reparación tiene que eliminarse la acción de un órgano de seguridad o de mando, esta eliminación no debe conservarse más que el tiempo estrictamente indispensable. 15.3
MEDIOS DE CONTROL CORRIENTES
Los medios de control corresponden a los instrumentos de medida utilizados corrientemente por el personal de explotación de las fábricas. Vamos a citar a continuación los aparatos utilizados en la industria, sin dar las recomendaciones esenciales correspondientes a su buen empleo, que están suficientemente detalladas en las instrucciones de los fabricantes. a) Medición de presiones y presiones diferenciales • Manómetros de tubo en U. • Manómetros metálicos (manómetros Bourdon). • Manómetros de membrana. • Manómetros de campana. • Manómetros de doble campana. b) Medición de caudales • Contadores: de turbina, de pistones rotativos, de membrana. • Caudalímetros: órganos deprimógenos (diafragmaventuritobera), caudalímetro Medidores de flujo másico de flotador.
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c) Medición de temperaturas • Pares termoeléctricos. • Resistencias termométricas. • Pirómetros de aspiración. • Pirómetros de radiación. • Pirómetros ópticos de desaparición de filamento. • Pirómetros de contacto. • Comparación de temperaturas por cambio de color. • Termómetros de tensión de vapor. • Termómetros de líquido. • Conos fusibles. d) Análisis de los productos de combustión • Métodos de absorción volumétrica. Aparatos de Orsat. Analizadores de tipo «Fyrite». Detectores tipo «Draeger». • Analizadores de radiación infrarroja. • Analizadores magnéticos. • Analizadores de conductibilidad térmica. e) Determinación del punto de rocío • Temperatura de rocío. • Aparatos de punto de rocío tipo «Alnor». • Higrómetros de condensación. •
Higrómetros de cloruro de litio. f) Otras medidas • Medidas acústicas. • Medida de velocidades de derrame: anemómetros, sondas de Prandtl (o Pilot dobles). • Medida de las velocidades de rotación de máquinas giratorias. • Medidas eléctricas.
