Prof. Ing. Carlos Revilla Generación de Potencia Tema 1 – Combustión y Combustibles Guía Nro 2 - Quemadores QUEMADORES: Introducción: Independientemente del tipo de combustible quemado, se requiere, para que la combustión sea uniforme, de tres elementos básicos: 1.- Proporción entre aire combustible adecuada. 2.- Mezcla adecuada de aire combustible. 3.- Temperatura de ignición lo suficientemente elevada para que la combustión continúe sin aporte de calor externo. Sobre todo las primeras dos condiciones van a depender de unos equipos auxiliares de calderas llamados quemadores. Tipos de quemadores: Los quemadores aplicables a las calderas de instalaciones industriales, se pueden clasificar en los siguientes grupos esenciales, teniendo en cuenta la forma de tratar el combustible para configurar la llama: Quemadores de combustibles líquidos: Además de proporcionar combustible con aire y mezclarlo, los quemadores deben preparar el fuel-oil (y/o gas-oil) para la combustión. Los dos sistemas (con muchas variantes) son: 1.- El combustible se vaporiza o gasifica por calentamiento en el quemador. 2.- El aceite combustible debe atomizarse por el quemador de modo que la vaporización pueda tener lugar en la cámara de combustión. Los quemadores de vaporización (primer grupo) están limitados en sus rangos a combustibles que puedan ser manipulados manualmente, y por ello tienen poca utilización en plantas industriales. Si el combustible debe vaporizarse en el espacio de combustión y en el instante de tiempo disponible, debe dividirse en muchas pequeñas partículas, para exponer la mayor superficie posible al calor (y al oxígeno del aire). Ésta atomización se efectúa de tres formas básicas: 1.- Forzando al combustible a pasar a presión por un orificio. 2.- Usando vapor o aire comprimido para romper el combustible en gotitas o droplets. 3.- Desprendiéndola de una película de combustible por centrifugado.
Esta sería entonces la clasificación general de los tipos de quemadores de combustible líquido: 1.- De pulverización mecánica, o por presión: En estos quemadores, se queman combustibles líquidos, fundamentalmente, gas-oil o fuel-oil. Estos llegan por el interior de la caña a su extremo, ya en el interior de la cámara de combustión, en donde se encuentran instalados los mecanismos de pulverización.
Fig. 4.1 – Cabeza de un quemador de pulverización mecánica Para que realice la pulverización, es imprescindible que el combustible entre a la caña con una presión que oscilará entre 16 y 20 bar, según el fabricante y el tipo de combustible. Una atomización buena se produce cuando el combustible a una presión de 75 a 200 psi (5,25 a 14 Kg/cm^2), se descarga a través de un pequeño orificio, a menudo ayudado por una pastilla disco estriada o con canales o isletas. El disco da al combustible un movimiento rotativo antes de que pase a través de un orificio taladrado en una placaorificio, o pastilla tobera, donde tiene lugar la atomización. Para un orificio determinado (de décimas de milímetro) la atomización depende de la presión y como la presión y el caudal están relacionados, la mejor atomización tiene lugar para un rango limitado de capacidades del quemador. Para poder adecuar la carga de la caldera con la demanda de vapor cuando ésta aumenta, deben instalarse un número de quemadores y conectarse y desconectarse para ello, o bien pueden usarse diferentes pasos-orificio. Todas las placas pastillas o toberas de orificio deben canalizarse al mismo diámetro o tamaño en un sistema dado, nunca calentar con diámetros de orificio distintos y mezclados. Para el uso de combustibles ligeros, gas-oil y similares, no será necesario precalentarlo, porque ya tienen una viscosidad adecuada a la temperatura ambiente. En el caso de los combustibles pesados, fuel-oil en sus variedades, se precisa una viscosidad adecuada a la entrada a la caña, por lo que se tendrán que precalentar, normalmente en dos niveles: · En el primer nivel: a unos 40ºC, según tipo del fuel-oil, para que sea bombeable. · En el segundo nivel: a unos 120ºC, según el tipo de fuel-oil, para que alcance la
viscosidad deseada, se requieren para su pulverización. El amplio rango o campo del atomizador mecánico da un rango de regulación de cerca de 15:1 y mucho más si es necesario. Utilizando alternativamente una válvula o bomba de presión constante-diferencial, la diferencia de presión entre impulso y retorno se mantiene constante. Este sistema tiene las siguientes ventajas: 1.- No se retorna combustible al tanque de almacenaje o aspiración de la bomba. 2.- El combustible entra al circuito cerrado con el mismo caudal con el que se quema, simplificando así el sistema de medida y control de combustión. 3.- La bomba puede utilizarse para suministrar presión a los quemadores existentes. 2.- De pulverización asistida, o por inyección de fluido auxiliar: En estos quemadores, se queman también combustibles líquidos pero, exclusivamente, pesados, como fuel-oil números 1, ó 2. Aunque ciertamente los quemadores de atomización por vapor tienen la capacidad de quemar casi cualquier fuel-oil, o de cualquier viscosidad, a casi cualquier temperatura. La diferencia con los quemadores de pulverización mecánica es que, a través de la caña, se conduce un fluido auxiliar que se inyecta en su cabeza y emulsiona el combustible, formando una mezcla que se pulveriza más fácilmente, a una presión, generalmente algo más baja que en el caso de pulverización mecánica.
Fig. 4.2 – Cabezal de un quemador de pulverización asistida
Preferiblemente, se inyecta vapor saturado a una presión de [5,2 y 10,5 bar] 8 a 12 bar, que se deriva del generador, reduciéndole y regulándole a la presión requerida antes de inyectarlo al quemador. El consumo de vapor de atomización ronda del 1 al 5 por ciento del vapor producido, con una media del 2 por ciento aproximadamente. Cuando el vapor se genera en la caldera a una presión inferior a 7 bar, se emplea aire comprimido como fluido auxiliar de pulverización asistida. Se usa a 10 psi (0,7 bar) para combustible ligero, y a 20 psi (1,4 bar) para combustible pesado. El aire se usa menos como medio de atomización porque su costo operativo puede ser elevado.
Siempre que sea posible, es preferible la utilización del vapor como fluido auxiliar, por las siguientes ventajas: 1.- Aporta calor al combustible, favoreciendo el proceso de combustión y de limpieza de la caña. 2.- No se requiere la instalación auxiliar de producción de aire comprimido, que no siempre está disponible en la central. Estos quemadores se clasifican en dos tipos según sus sistemas: 1.- Mezcla interna o premezcla del combustible y vapor o aire. La mezcla se realiza en el interior del cuerpo o la cabeza del quemador, antes de ser proyectada a presión adentro del horno (hogar). 2.- Mezcla externa, cuando todo el combustible emergente del quemador se cruza y es captado por el chorro de vapor o aire. 3.- Rotativos, de pulverización centrífuga: A menudo son conocidos también con el nombre de Quemadores rotativos de copa. En estos quemadores se queman combustibles líquidos, indistintamente, ligeros (gas-oil), o pesados (fuel-oil). La pulverización se logra por la fuerza centrifuga que se comunica al combustible por medio de un elemento rotativo interno. El elemento rotativo suele ser una copa, que gira a gran velocidad (normalmente unas 3500 RPM), accionada por un motor eléctrico, que distribuye el combustible y lo lanza perimetralmente hacia delante en forma de tronco de cono.
Fig. 4.3 – Quemador Rotativo
Para el uso de combustibles ligeros con este tipo de quemador, tampoco es necesario precalentarlos, sin embargo con combustibles pesados, fuel-oil en sus variedades, se precisa un precalentamiento entre 60 y 80ºC, dependiendo de sus calidades, debe evitarse el sobrecalentamiento previo para que no se dé gasificación. La copa rotativa puede atomizar satisfactoriamente aceites de viscosidad alta (300 segundos Saybolt Universal o SSU) y tiene un rango amplio, de cerca 16:1. Es evidente que, al tener elementos móviles en interior, estos quemadores rotativos requieren un mantenimiento más cuidadoso que los de pulverización mecánica, si bien son menos propensos al ensuciamiento. Los dos tipos de quemadores rotativos de copa usados son: 1.- Tipo de bomba, en el cual la bomba va montada sobre el quemador, y. 2.- Tipo de bomba separada, es decir, localizada remotamente. Quemadores de combustibles gaseosos: De flujo paralelo, con mezcla por turbulencia: En estos quemadores se queman combustibles gaseosos como el gas natural. El principio fundamental de diseño y funcionamiento de estos quemadores, es el siguiente:
Fig. 4.4 – Quemador de Gas de flujo paralelo La cabeza de combustión se compone, esencialmente, de un dispositivo con aletas, llamado roseta (1), dispuesto en un director de aire cilíndrico (2). El aire comburente, que llega paralelamente al eje del quemador, se pone parcialmente en rotación por la acción de la roseta. Esta última, no ocupa toda la sección del conducto de aire; el espacio anular permite conservar una parte de la vena de aire en movimiento axial. Esta combinación de un flujo axial y de un flujo rotacional compone un chorro de torbellino, que provoca la mezcla en el gas.
Cuando se combinan los quemadores que se acaban de describir para quemar, simultáneamente o por separado, más de un combustible se emplean los llamados quemadores mixtos. Quemadores atmosféricos: En ellos el gas induce el aire atmosférico en el tubo de mezcla, en cuyo extremo se forma la llama. No se requiere pues de ventilador de aire, ni órganos mecánicos que regulen el caudal de aire en función del caudal de gas. Cuando en un quemador atmosférico de inyector fijo se hace variar la presión del gas, varía el caudal de éste, pero el caudal de aire aspirado no varía proporcionalmente, de modo que el valor de la amplitud de la llama aumenta con la presión en régimen laminar, pero decrece en régimen turbulento. Estos quemadores se usan principalmente en los aparatos domésticos de gas y tienen aplicaciones industriales limitadas; raramente sobrepasan potencias entre 50 y 200 kW. Quemadores de combustibles sólidos: Aunque el carbón contiene materias volátiles que en mezcla con el aire dan lugar a llamas, la mayor parte de su materia combustible es sólida, y a ella tiene que llegar el oxígeno para que tenga lugar la reacción de combustión. Esta etapa de difusión es la más lenta, por lo que debe activarse aumentando el contacto sólido-aire, lo que implica reducir el tamaño del carbón. Los sistemas utilizados para realizar el contacto aire carbón son: 1.- Quemadores de carbón pulverizado: El carbón debe secarse, pulverizarse a tamaño que depende de a clase de carbón (así la hulla se pulveriza de modo que el 80% sea inferior a 0,1 mm; el lignito, el 60% es inferior a 0,1 mm), y se transporta neumáticamente al quemador, de modo que el aporte de aire suele representar del 20 al 40% del aire de combustión según sea el contenido de humedad y cenizas. El quemador es similar al usado para combustibles líquidos; pero debido a que el tiempo de combustión es más largo, se dan velocidades de salidas más bajas, que llegan incluso de 5 a 10 m/s. Se pueden construir con potencias de hasta 46 MW. Debe tenerse especial cuidado con las temperaturas: en la entrada para asegurar la estabilidad, no se puede bajar de los 55 °C, y no se pueden sobrepasar la temperatura de coquización, que es de 70°C si el contenido en volátiles es mayor que el 25%, por ejemplo. Pero también en la cámara de combustión pueden aparecer problemas en la formación de las cenizas (Óxidos de silicio, aluminio, calcio, etc).
2.- Cámara de combustión tipo ciclón: La combustión tiene lugar a elevadas temperaturas en una cámara recubierta de escoria fundida, que así hace de aislante, evita pérdidas de calor y asegura temperaturas elevadas. El carbón pulverizado entra con el aire primario tangencialmente y, de modo independiente, también se alimenta el aire secundario. Las partículas mayores de carbón tienden hacia la pared, donde son captadas mientras que las finas, arrastradas por el aire, son quemadas completamente. Se consiguen potencias (por unidad de volumen de cámara) de hasta 9 MW/m3. 3.- Parrillas: Se distinguen por la forma de alimentación de combustible, y así pueden ser: • • •
Parrillas fijas con alimentación desde arriba Parrilla móvil (bandas transportadoras) con transporte horizontal del combustible hacia la cámara de combustión. Parrilla fija con alimentación desde abajo.
En todos los casos el aire de combustión debe atravesar la parrilla, por lo que se consigue un equilibrio entre el transporte de calor desde la zona de reacción de la parrilla y de la entrega de calor de esta al aire de combustión. La potencia específica conseguida (por unidad de superficie de parrilla) es del orden 1 a 1,7 MW/m2, lo que corresponde a un consumo de 100 a 200 Kg/h.m2 de carbón. 4.- Cámaras de combustión de lecho fluido: Sólo se emplean como cámara de combustión de calderas de vapor, cuando se han de emplear combustibles con alto contenido de cenizas o cuando se desea desulfurizar de modo que el azufre pase a las cenizas en forma de sulfato de calcio, magnesio y sodio; a veces puede incorporarse carbonato cálcico para conseguir ese efecto. Éste resultado se alcanza mejor, en este tipo de hogares que en un hogar normal, porque la temperatura puede mantenerse en el orden de los 800 a 900 °C. Otra aplicación de los lechos fluidos es para el calentamiento de sólidos pulverizados, alimentando entonces el combustible (gas o líquido) de modo independiente.
- Fin de la Guía 2 -
