Manual 07 Calentadores a Fuego Directo

CALENTADORES A A FFUEGO D DIRECTO

Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente”

Calentadores a fuego directo

Proyecto: PREPARACIÓN DE SEMILLEROS PARA OCUPAR PUESTOS DE CONFIANZA OPERACION

Líder de proyecto: Ing. René Soltero Sáenz

Especialista: Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos Arturo Medina Maldonado Ing. Tirso Miguel Policarpo Morales Lic. Erik Alberto Santos Pérez

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Contenido OBJETIVO INSTRUCCIONAL .......................................................................................................................9 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 11 1 GENERALIDADES. ............................................................................................................................... 13 2 CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. .................................. ................. .................................. ................. 15 2.1

CLASIFICACIÓN DE CALENTADORES DE ACUERDO AL SERVICIO QUE PROPORCIONAN. ............ 15

2.2

CLASIFICACIÓN DE CALENTADORES DE ACUERDO AL ARREGLO DE TUBOS. ............................... ............................... 17

3 PARTES INTEGRANTES DE LOS CALENTADORES. ................................... ................. .................................... ................................... .....................21 4 ESPECIFICACIONES ESPECIFICACIONES DE CALENTADORES CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. ......................................... ........................ ............................ ........... 27 4.1

CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES DEL DISEÑO TERMO-HIDRÁULICO Y MECÁNICO. ............................... ............................................ ............. 27 4.1.1 4.1.2

4.2

Consideraciones del diseño termo-hidráulico ........................................... .......................................................................... .................................................... .....................27 Consideraciones del diseño mecánico. ......................................................................... ....................................................................................................... ................................ 27

CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE LAS PARTES DEL CAFD......................... CAFD....................................... ............................ .................... ...... 28 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11

Refractario. ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ......................................................... ...........................28 Chimeneas, ductos y caja de humos. ............................................................ ........................................................................................... ............................................... ................28 Quemadores. ........................................................ ....................................................................................... ............................................................. ......................................................... ...........................28 Atomizador (para combustible líquido). ......................................................................... ....................................................................................................... ................................ 29 Pilotos. ........................................................ ....................................................................................... ............................................................. ............................................................. ..................................... ...... 29 Registros de aire. ........................................................... .......................................................................................... .............................................................. ............................................... ................ 29 Sopladores de hollín. ...................................................................... ..................................................................................................... ............................................................. ................................ 30 Reguladores de tiro. ........................................................ ...................................................................................... ............................................................. ............................................... ................ 30 Ventiladores.......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ......................................................... ...........................30 Precalentadores de aire. ........................................................... ......................................................................................... ............................................................. ..................................... ...... 30 Conexiones para instrumentos y auxiliares. .................................................. ................................................................................. ............................................... ................31

5 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE LOS CAFD. ................................... .................. ................................... ................................... ............................... .............. 33 5.1

TRANSFERENCIA DE CALOR. ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. ................ 33 5.1.1 5.1.2 5.1.3

5.2

Radiación......................................................... ....................................................................................... ............................................................. ............................................................. ................................. 33 Convección. .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ......................................................... ...........................34 Conducción........................................................... ......................................................................................... ............................................................. ......................................................... ...........................34

MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN CAFD. ............................ .......................................... ............................ .................. .... 34 5.2.1 5.2.2

En la zona de radiación. ................................................................. ............................................................................................... ............................................................. ................................. 35 En la sección de convección. ........................................................................ ....................................................................................................... ............................................... ................35

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6 COMBUSTIBLES. ................................................................................................................................. 37 6.1

TIPOS Y CARACTERÍSTICAS. ..................................................................................................................37 6.1.1

6.2

CONDICIONES DE SUMINISTRO. ............................................................................................................40 6.2.1 6.2.2 6.2.3

6.3

Características de los combustibles............................................................................................................. 38 Combustibles gaseosos. .............................................................................................................................. 40 Combustibles líquidos. ................................................................................................................................. 40 Combustibles sólidos. .................................................................................................................................. 40

MEDIO ATOMIZANTE. ...............................................................................................................................40 6.3.1 6.3.2 6.3.3

Atomización mecánica por presión. ............................................................................................................. 41 Atomización con fluido auxiliar ..................................................................................................................... 41 Atomización mecánica por copa rotatoria. ................................................................................................... 41

7 COMBUSTIÓN. ..................................................................................................................................... 43 7.1

FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA COMBUSTIÓN. ..................................................................................43

7.2

ETAPAS DE LA COMBUSTIÓN. ................................................................................................................45

7.3

AIRE ATMOSFÉRICO PARA LA COMBUSTIÓN. ......................................................................................46 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7

Aire teórico o estequimétrico........................................................................................................................ 47 Aire práctico. ................................................................................................................................................ 47 Exceso de aire. ............................................................................................................................................ 48 Exceso de aire en función del monóxido de carbono. ................................................................................. 50 Exceso de aire y óxidos de nitrógeno. ......................................................................................................... 50 Calor disponible en función del exceso de aire............................................................................................ 51 Control del exceso de aire. .......................................................................................................................... 52

7.4

TEMPERATURA CARACTERÍSTICA DE LA FLAMA. ................................................................................55

7.5

TEMPERATURA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN. .............................................................................56

7.6

TEMPERATURA DE LOS TUBOS EN RADIACIÓN Y CONVECCIÓN. ....................................................56

8 QUEMADORES..................................................................................................................................... 61 8.1

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE QUEMADORES. .........................................................61 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.1.7 8.1.8 8.1.9

4

Factores de combustión. .............................................................................................................................. 61 Colocación de quemadores. ........................................................................................................................ 62 Combustibles disponibles. ........................................................................................................................... 62 Liberación de calor. ...................................................................................................................................... 63 Características de la corriente de proceso................................................................................................... 63 Condiciones de tiro. ..................................................................................................................................... 63 Altitud. .......................................................................................................................................................... 63 Temperatura del aire. ................................................................................................................................... 63 Turndown. .................................................................................................................................................... 63


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8.1.10

8.2

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN. ............................ .......................................... ............................ ........................... ........................... ............................. ....................... ........63 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4

8.3

Emisiones. ....................................................... ...................................................................................... ............................................................. ............................................................. ................................. 63 Quemadores para combustibles gaseosos. ............................................................................ ................................................................................................. .....................64 Quemadores aceite –gas. ......................................................... ....................................................................................... ............................................................. ..................................... ...... 69 Quemadores de bajas emisiones de NOx. .................................................................... .................................................................................................. ................................ 70 Reducción de NOx. ........................................................ ....................................................................................... .............................................................. ............................................... ................ 71

SISTEMA DE ANTICONTAMINACIÓN ANTICONTAMINACIÓN AMBIENTAL. ....................................... ..................................................... ............................ ........................... ............. 73 8.3.1 8.3.2

Sistema de quemado. ...................................................... .................................................................................... ............................................................. ............................................... ................ 73 Sistema de reducción de SOx y partículas............................................................. ........................................................................................... ..................................... ...... 74

9 TIRO. ...................................................................................................................................................... 79 9.1

TIRO NATURAL........................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 79 9.1.1

Control del tiro de un CAFD de tiro natural del calentador. .......................................................... .......................................................................... ................80

9.2

TIRO FORZADO. ............................ ......................................... ........................... ............................ ............................ ............................. ............................. ........................... ........................ ........... 81

9.3

TIRO INDUCIDO............................. ......................................... ........................... ............................ ............................ ............................. ............................. ........................... ........................ ........... 81

9.4

TIRO BALANCEADO............................. ......................................... ........................... ............................ ............................ ............................. ............................ ........................... .................. .... 82

10 ECONOMIZADORES ECONOMIZADORES Y GENERADORES GENERADORES DE VAPOR. ................................... ................. .................................... ................................... .....................83 10.1 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE TRANSFERENCIA. ..................................... ................................................... ............................ ...................... ........ 83 10.2 REQUERIMIENTOS Y LIMITACIONES.......................... ....................................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 84

11 SISTEMAS DE PROTECCIÓN. ............................................................................................................. 85 11.1 VAPOR DE BARRIDO. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 85 11.2 CORTINAS DE VAPOR. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... .............85 11.3 ALARMAS............................. .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 85 11.4 DISPAROS. ............................ ........................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ .................. .... 86

12 SISTEMAS DE PRECALENTAMIENTO PRECALENTAMIENTO DE AIRE. ............... ................................. .................................... ................................... ............................ ........... 87 12.1 PRINCIPALES TIPO DE PRECALENTADORES. PRECALENTADORES. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 87

13 AISLANTES Y REFRACTARIOS. ......................................................................................................... 91 13.1 AISLANTES. ........................... .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ .................. .... 91 13.1.1 13.1.2

Características de un aislante. ..................................................................................... .................................................................................................................... ................................. 92 Factores de selección de un aislante. ........................................................... .......................................................................................... ............................................... ................92


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13.1.3 13.1.4 13.1.5

Clasificación por rangos de aplicación. aplica ción. ............................................................ .......................................................................................... ............................................ .............. 92 Clasificación por características físicas. ......................................................... ....................................................................................... ............................................ .............. 93 Acabados. .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ........................................................... ............................. 94

13.2 REFRACTARIOS. REFRACTARIOS. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... .........94 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.2.4

Curado del refractario. ..................................................................................... .................................................................................................................... ............................................ ............. 95 Secado posterior.................................................................................... ................................................................................................................. ...................................................... ........................ 95 Pruebas de refractario. ....................................... ...................................................................... .............................................................. ........................................................... ............................ 96 Reparación......................................................... ....................................................................................... ............................................................. ........................................................... ............................. 96

GLOSARIO .................................................................................................................................................. 97 BIBLIOGRAFÍA. .......................................................................................................................................... 99

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Figuras. Fig. 2-1. De izquierda a derecha, calentadores Tipo A Rectangular con serpentín arbor, Tipo B Cilíndrico con serpentín helicoidal y Tipo C con serpentín tubos horizontal............................ ......................................... ............................ ............................ ............................ .................. ....16 Fig. 2-2. Calentador TIPO E, Rectangular con serpentín vertical y Tipo F, con serpentín de tubos horizontal. ........... ...........16 Fig. 2-3. De izquierda a derecha: Cilíndrico vertical todo radiante (A), Cilíndrico vertical serpentín helicoidal (B), Cilíndrico vertical con sección de convección flujo cruzado (C). ........................... ......................................... ............................ ............................ ........................... .............18 Fig. 2-4. Calentador cilíndrico vertical con sección de convección integrada (D); al centro el Tipo arco, arbor o ticket (E); y a la derecha el de Tubo vertical doble fuego (F). ( F). .................. ............................... ............................ ............................ ............................ ............................. ...................... ........19 Fig. 2-5. De izquierda a derecha, Calentador tipo cabina (G), con Caja de dos celdas (H) y tipo Cabina con pared divisoria (I). .......................... ......................................... ............................. ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ........................ ...........19 Fig. 2-6. De izquierda a derecha, Calentador de Caja con tubos horizontales y quemadores en paredes (J); de Caja con tubos horizontales, quemadores en paredes y sección de convección a un lado (K) y de Tubo horizontal de doble fuego (L). ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... .............20 Fig. 3-1. partes de un calentador tipo caja con serpentín horizontal. .................................. ................................................ ............................ ........................... .............21 Fig. 3-2. partes para un calentador vertical................... vertical.................................. ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ ......................... ...........22 Fig. 5-1. Acción de los mecanismos de transferencia de calor en la zona de radiación de un calentador. ................. ...................35 Fig. 6-1. Temperatura mínima de los gases de combustión en función del % de azufre. ........................... ......................................... .................. ....39 Fig. 7-1. % De exceso de aire en función del % de O 2 en los gases de combustión del de l gas natural. ......................... ...........................48 Fig. 7-2. Incidencia del exceso de aire sobre el rendimiento y la seguridad en un CAFD. ........................... .......................................... .................49 Fig. 7-3. % de aire en exceso en función del bióxido de carbono en los gases de combustión del gasóleo. ............... ...............50 Fig. 7-4. Relación entre el exceso de aire y la temperatura de la combustión............................ ......................................... ............................ .................... ......52 Fig. 7-5. Combustible desperdiciado en función de la temperatura de los gases de combustión en la chimenea y el % de exceso de aire ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... .............55 Fig. 7-6. Características de la flama durante la combustión. ............... ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ .................. ....56 Fig. 8-1. Quemador abierto de tiro natural. ....................... ..................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ....................... ........64 Fig. 8-2. Quemador de caja de aire. ........................................ ...................................................... ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. ................ 65 Fig. 8-3. Quemador integrado...................................... ................................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... .............65 Fig. 8-4. Quemador de premezclado con inyector. ...................... .................................... ............................ ............................. ............................. ........................... ........................ ...........65 Fig. 8-5. Quemador de premezclado con aspirador............................ ......................................... ............................ ............................. ............................ ........................... .................. ....66 Fig. 8-6. Quemador con mezclado en tobera controlado por aire. ........................... ......................................... ............................ ............................ ......................... ...........66 Fig. 8-7. Quemador de alta velocidad. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ......66 Fig. 8-8. Quemador de radiación para pared. ....................... ...................................... ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ .................. ....67 Fig. 8-9. Quemador de gas controlado por combustible para uso de aire precalentado. .................................. ............................................. ...........68 Fig. 8-10. Quemador de gas tipo anillo-gas. ..................... ................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ....................... ........69 Fig. 8-11. Quemador de gas tipo turbina. ..................................... .................................................. ........................... ............................ ............................ ............................ ......................... ...........69 Fig. 8-12. Quemador de baja emisión de NOx......................... NOx....................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. .................72 Fig. 8-13. Quemadores de baja emisión de NOx con sistema de control de aire. ............... ............................. ............................ ........................... .............72 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 ©

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Fig. 8-14. Concentración de NOx en función de la temperatura, para 3 tipos de quemadores de gas combustible con 10% de exceso de aire. ................................................................................................................................................ 73 Fig. 8-15. Quemado tangencial.................................................................................................................................... 74 Fig. 8-16. Sistema de lavado con sosa cáustica. ......................................................................................................... 75 Fig. 8-17. Sistema de lavado de gas con carbonato de calcio. .................................................................................... 76 Fig. 8-18. Sistema de lavado de gases con agua de mar. ........................................................................................... 76 Fig. 8-19. Sistema de lavador de gas con cal. ............................................................................................................. 77 Fig. 9-1. Perfil del tiro de un CAFD de tiro natural. ...................................................................................................... 80 Fig. 9-2. Calentador de toro forzado. ........................................................................................................................... 81 Fig. 9-3. Calentador de tiro inducido. ........................................................................................................................... 82 Fig. 9-4. Calentador de tiro balanceado. ..................................................................................................................... 82 Fig. 10-1. Tipos de tubería de superficie extendida usadas en economizadores. ...................................................... 84 Fig. 12-1. Sistema de precalentamiento de aire para un CAFD con chimenea autosoportada.................................... 88 Fig. 12-2. Sistema de precalentamiento de aire en un CAFD cilíndrico vertical........................................................... 88 Fig. 12-3. Sistema precalentador de aire usando unidad de intercambiador de calor regenerativo/recuperativo (Fig. 2, NRF-089-PEMEX-2004). ............................................................................................................................................. 89 Fig. 12-4. Fuente de calentamiento externo para precalentamiento de aire (Fig. 3, NRF-089-PEMEX-2004). ........... 89 Fig. 12-5. Sistema usando un precalentamiento de aire indirecto cerrado con circulación mecánica (Fig. 4, NRF-089PEMEX-2004). ............................................................................................................................................................. 90

Tablas. Tabla 7-1. Componentes del aire para la combustión.................................................................................................. 47 Tabla 7-2. Exceso de aire en la combustión. ............................................................................................................... 48 Tabla 8-1. Métodos del el sistema de desulfurización. ................................................................................................ 75

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OBJETIVO INSTRUCCIONAL

Identificar los diferentes tipos de calentadores a fuego directo y las partes que los constituyen. Describir las reacciones de combustión, así como las propiedades de los combustibles utilizados. Describir el funcionamiento de los calentadores a fuego directo y de cada una de sus partes.


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INTRODUCCIÓN

Los calentadores a fuego directo son equipos requeridos dentro de la industria de Refinación y Petroquímica para suministrar grandes cantidades de energía a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para cumplir con las condiciones de proceso. Estos equipos son conocidos también como calentadores de proceso u hornos de proceso (NRF-089-PEMEX-2004). El diseño de un calentador a fuego directo requiere de un amplio conocimiento y experiencia que involucran problemas de transferencia de calor, combustión, flujo de fluidos, así como problemas mecánicos y estructurales, por lo que es importante especificar correctamente los calentadores y asegurarse que todos los elementos esenciales han sido considerados.


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1 GENERALIDADES.

Uno de los equipos principales en instalaciones industriales de procesamiento y transformación de petroquímicos líquidos y gaseosos, son los calentadores a fuego directo, equipos que tienen como función principal suministrar la energía térmica requerida por los procesos, entre otros: 

Fraccionar los cortes de hidrocarburos en destilación atmosférica y de vacío.



Vaporizar la alimentación en reactores.



Proporcionar los requerimientos térmicos en columnas de fraccionamiento.



Calentar algún fluido térmico.

La función fundamental de un calentador, es suministrar una cantidad específica de calor a niveles elevados de temperatura al fluido que va a ser calentado, es por eso que consumen grandes cantidades de energía en forma de combustible. En un calentador a fuego directo el calor liberado de la combustión que se realiza dentro de una cámara aislada, se transfiere a elevadas temperaturas a un fluido que se encuentra en el interior de un serpentín de tubos que comúnmente se colocan a lo largo de las paredes y techo de la cámara de combustión. Como concepto general, la eficiencia térmica es definida como la razón entre el calor absorbido por la corriente de proceso y el calor liberado por el combustible. En los calentadores a fuego directo se presentan pérdidas de energía, por diversas causas, y por ello es importante detectar puntos de optimización energética que contribuyan a la eficiencia de la operación del calentador así, como el consumo de energía (combustible), apoyándose para ello en un análisis energético, el cual, generalmente, derivará recomendaciones que implicarán un ahorro energético económico, además de disminuir la contaminación ambiental.


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2 CLASIFICACIÓN D DE LLOS C CALENTADORES A A FFUEGO DIRECTO.

2.1 Clasificación de calentadores de acuerdo al servicio que proporcionan. Los calentadores a fuego directo son clasificados en el ANEXO B de la NRF-089-PEMEX-2004 en tres categorías, de acuerdo al servicio que proporcionan: A. Calentadores. Son los que se usan para suministrar calor a la corriente de proceso para calentarla, evaporar

una parte o toda la carga sin que haya cambios químicos. Por ejemplo: calentadores de carga al reactor, rehervidores de columnas, sobrecalentadores de vapor, calentadores de gas, por mencionar algunos.

B. Calentadores de rompimiento (craking). Son hornos en los que se efectúa una descomposición térmica para

obtener determinados productos o mejores compuestos para uso industrial. Ejemplos, hornos de producción de olefinas y reductores de viscosidad. C. Reformadores u hornos vapor-hidrocarburos. Son hornos en los cuales se lleva a cabo una reacción química catalizada dentro del serpentín. Generalmente se diseñan los tubos como cámaras individuales de reacción con lechos de catalizador y que se calientan en la sección de radiación. Estos se usan para producir de hidrógeno con los siguientes fines: a) b) c)

Hidrógeno puro. Producción de amoniaco. Producción de metanol.

Las Fig. 2-1 y Fig. 2-2 ilustran los tipos de calentadores típicos (NRF-089-PEMEX-2004).


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FIG. 2-1. DE IZQUIERDA A DERECHA, CALENTADORES TIPO A RECTANGULAR CON SERPENTÍN ARBOR, TIPO B CILÍNDRICO CON SERPENTÍN HELICOIDAL Y TIPO C CON SERPENTÍN TUBOS HORIZONTAL .

FIG. 2-2. CALENTADOR TIPO E, RECTANGULAR CON SERPENTÍN VERTICAL Y TIPO F, CON SERPENTÍN DE TUBOS HORIZONTAL.

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La Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE) divide su aplicación en seis categorías de servicio general, los cuales son: 1. 2.

3.

4.

5.

6.

Rehervidor: En esta aplicación particular, la temperatura de salida de un rehervidor generalmente cae en el rango de los 204 a 288 °C (400 a 550 °F). Calentador de carga a columnas fraccionadoras: Se refiere al servicio de un calentador de alimentación a una columna de destilación atmosférica, donde el aceite crudo entra al calentador como un líquido a 232 °C (450 °F) y sale cerca de los 371 °C (700 °F). Calentador de carga a reactores: En este caso se trata del calentamiento de un componente individual, fase sencilla como el sobrecalentamiento de vapor en las secciones de reacción del proceso de elaboración de productos petroquímicos. En estos servicios, la temperatura de entrada del fluido típicamente es de 371 °C (700 °F) y su temperatura de salida de aproximadamente 815 °C (1500 °F). Calor suministrado para medio de transferencia de calor: Muchas plantas suministran calor a usuarios individuales, vía un medio de transferencia de calor intermedio. Para este servicio el calentador se utiliza para elevar la temperatura del medio recirculante, que es típicamente un aceite de calentamiento, (Downtherm, Terminol, Molten Salt, etc.) Los fluidos que circulan a través del calentador en estos sistemas, casi siempre permanecen en fase líquida desde la entrada hasta la salida. Calor suministrado a fluidos viscosos: Con frecuencia el aceite pesado debe ser bombeado desde un lugar a otro para su proceso. A bajas temperaturas el aceite puede tener una viscosidad demasiada alta para ceder al bombeo, por lo que es empleado un calentador para elevar la temperatura del aceite y así, facilitar su bombeo. Calentadores reactores: Calentadores reformadores de hidrocarburos - vapor, en los cuales los tubos de la cámara de la combustión funcionan individualmente como recipientes de reacción verticales llenos con catalizadores de níquel. En reformadores que producen hidrógeno, las temperaturas de salida del fluido varían de 788 a 899 °C (1450 a 1650 °F).

2.2 Clasificación de calentadores de acuerdo al arreglo de tubos. Los calentadores a fuego directo se pueden clasificar de acuerdo a su forma, en horizontales y verticales, esto debido a la orientación de los tubos del serpentín en la sección de radiación. A. Cilíndrico – vertical, todo radiante. B. Cilíndrico – vertical, serpentín helicoidal. C. Cilíndrico – vertical, con convección (flujo cruzado). D. Cilíndrico – vertical con convección integral. E. F. G. H. I.

Arbor o ticket. Tubos verticales con doble fuego. Cabina con tubos horizontales. Caja de doble celda con tubos horizontales. Cabina con tubos horizontales y pared divisoria.


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Caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes. K. Con sección de convección montada a un lado. L. De tubo horizontal, de doble fuego. J.

En las Fig. 2-3, Fig. 2-4, Fig. 2-5 y Fig. 2-6, se muestran los tipos de calentadores a los cuales nos referimos en los puntos anteriores, así como sus principales características.

FIG. 2-3. DE IZQUIERDA A DERECHA: CILÍNDRICO VERTICAL TODO RADIANTE (A), CILÍNDRICO VERTICAL SERPENTÍN HELICOIDAL (B), CILÍNDRICO VERTICAL CON SECCIÓN DE CONVECCIÓN FLUJO CRUZADO (C).

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FIG. 2-4. CALENTADOR CILÍNDRICO VERTICAL CON SECCIÓN DE CONVECCIÓN INTEGRADA (D); AL CENTRO EL TIPO ARCO, ARBOR O TICKET (E); Y A LA DERECHA EL DE TUBO VERTICAL DOBLE FUEGO (F).

FIG. 2-5. DE IZQUIERDA A DERECHA, CALENTADOR TIPO CABINA (G), CON CAJA DE DOS CELDAS (H) Y TIPO CABINA CON PARED DIVISORIA (I).


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FIG. 2-6. DE IZQUIERDA A DERECHA, CALENTADOR DE CAJA CON TUBOS HORIZONTALES Y QUEMADORES EN PAREDES (J); DE

CAJA CON TUBOS HORIZONTALES, QUEMADORES EN PAREDES Y SECCIÓN DE CONVECCIÓN A UN LADO(K) Y DE TUBO HORIZONTAL DE DOBLE FUEGO (L).

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3 PARTES IINTEGRANTES D DE LLOS C CALENTADORES.

Las secciones y partes que integran un calentador a fuego directo son idénticas para ambos tipos, en la Fig. 3-1 se indican las partes que integran un calentador tipo caja con serpentín horizontal, mientras que en la Fig. 3-2 se indican las partes de un calentador vertical. Acero aislante de la cámara Sección de convección

Puertas de explosión

Soportes de acero Cr-Ni para tubos Estructura de acero

Caja de acero Soporte seccionado

Caja de acero

Sección de radiación Espacio entre quemadores

Conexión de vapor de apagado

Piloto de seguridad Aire primario Refractario Conexión de gas combustible

FIG. 3-1. PARTES DE UN CALENTADOR TIPO CAJA CON SERPENTÍN HORIZONTAL .


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FIG. 3-2. PARTES PARA UN CALENTADOR VERTICAL.

22




A continuación se hace una descripción de dichas secciones y partes:

Sección de convección. Es la sección de transferencia de calor directamente localizado debajo de la chimenea, utiliza el calor ascendente de los gases calientes de la combustión. En esta zona los tubos están en forma horizontal tanto para calentadores verticales como horizontales.

Sección de radiación. Es la sección que utiliza la mayor parte del calor radiante de los quemadores. Aunque en algunos calentadores el calor de la flama de los quemadores se dirige hacia un muro cerámico el cual irradia calor a los tubos; normalmente los tubos reciben el calor directamente de los quemadores. Quemadores. Es la parte del calentador que quema el combustible gas o líquido, en ocasiones ambos, produciendo una flama de calor intenso. Los quemadores son normalmente instalados al piso de los calentadores. Sin embargo algunos calentadores horizontales pueden tener los quemadores montados lateralmente. El número y tamaño de quemadores son determinados por el proveedor de acuerdo al uso del calentador. Polea de reemplazamiento. Solo para calentadores verticales. Es un anillo colocado arriba de la chimenea utilizado para reemplazar los tubos. Actualmente distintas compañías utilizan equipo móvil para el reemplazo de los tubos. Pocos calentadores tienen esta polea. Polea de pintores. Es un anillo cercano a la parte superior de la chimenea con una extensión de cable de acero estirado a nivel de piso el cual es utilizado cuando se pinta la chimenea. Chimenea. Es la parte cilíndrica que transportar los gases de combustión a la atmósfera, y al mismo tiempo produce el tiro del calentador. La altura es determinada por el tiro requerido y demandas ecológicas (quemar gas es relativamente limpio, ya que el combustible líquido produce humos). Hay chimeneas montadas sobre la parte superior del calentador o al piso con ductos para dirigir los gases de combustión hacia ellas. Algunos calentadores tienen ductos que llegan a una chimenea común de concreto montada al piso, que puede ser de 300 pies de altura o más. Mampara (damper). Es un plato plano de acero localizado directamente arriba de la sección de convección, conectado a una flecha y una rueda de acero. Los cables de control están a nivel de piso para disponer la operación y regular el tiro del quemador por abertura o cierre de la mampara. Las mamparas pueden ser conectadas para trabajar automáticamente. Conexión del manómetro de tiro. Normalmente son coples localizados justo debajo de la mampara y en la sección de radiación, cercano a los quemadores. Es un instrumento de diferencial de presión, llamado manómetro de tiro, para esto es conectado a dos coples para medir el tiro del quemador.


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Conexión vapor de apagado. Normalmente es un cople de 2 pulgadas localizada en ambas secciones. El vapor es usado para extinguir (por sofocamiento) las flamas. Si la ruptura de un tubo causa fuego, una válvula de detección es abierta para introducir el vapor dentro del calentador. En los calentadores grandes existen muchas conexiones de este tipo. Transición chimenea (puente). Es la sección fabricada bajo la chimenea, efectuándose la transición de la forma rectangular del calentador a la chimenea cilíndrica. Es además usado bajo la sección de convección para reducir el área de flujo entre dos partes rectangulares. Puertas de acceso. Son puertas que proporcionan la entrada al calentador para inspeccionar los tubos o hacer reparaciones. El acceso a las puertas debe mantenerse limpio. Anillos de soportes de tubos. El anillo que soporta los tubos en un calentador vertical. La figura 6 muestra estos anillos en la parte superior. Sin embargo los tubos pueden ser soportados desde abajo. Frecuentemente los diseños de tuberías pueden tener los anillos de soporte de tubos localizados para adaptarse a la expansión de tubería, ayudando a aliviar los problemas de tensión o presión. Caja de cabezales. Sección al final de los tubos en la parte de radiación los cuales pueden girar 180°. Las puertas son móviles para la inspección y no deben ser obstruidos por tuberías. Guías de tubos. Situados directamente en los tubos para mantenerlos en el giro de estos (en forma ondulada) solo en los calentadores verticales. En los calentadores horizontales los soportes de los tubos también sirven como guías. Anclaje de tubos. Es el punto del tubo donde se encuentra sujeto o anclado, se aplica principalmente a los calentadores horizontales. Puertas de observación. Son pequeñas puertas abiertas por operadores para ver el tamaño y color de flama y el brillo del tubo. Las válvulas de control de los quemadores deberán ser localizadas cercas de estas puertas para poder regular el flujo del combustible mientras se observa la flama del quemador dichas puertas pueden ser localizadas en la pared del calentador y no deben ser obstruidas por tubería. Son comúnmente llamadas mirillas del calentador. Piso del quemador. Plato de acero del fondo de calentadores verticales y horizontales. Piloto de gas. Es un pequeño quemador que produce una flama pequeña y constante, que inicia el quemado del combustible en los quemadores.

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Uniones de paso (crossovers). La tubería que conecta a los tubos de convección con los tubos de radiación, pueden estar localizados dentro o fuera de la caja del calentador. Las conexiones externas deben ser aisladas. Dicha tubería de unión es normalmente (no siempre) proporcionada por el proveedor del calentador, aunque raramente proporciona el aislamiento. Puertas de explosión. Diseñadas para dar y aliviar la presión en caso de una explosión interna. Deben de estar libres de tubería.


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4 ESPECIFICACIONES D DE C CALENTADORES A A FFUEGO DIRECTO.

El tipo de calentador es normalmente descrito por la configuración estructural, configuración del serpentín de radiación o forma y arreglo de quemadores. Algunos ejemplos de configuraciones estructurales son cilíndricos, de caja, de cabina, de caja multi-celda. Ejemplos de configuraciones del serpentín son vertical, horizontal, helicoidal y árbor o póstigo. Ejemplos de arreglo de quemadores incluyen quemado en el techo, quemado en el piso, quemado en paredes frontales y laterales o multiniveles (NRF-089-PEMEX-2004). Las características principales de los calentadores son especificadas desde el diseño. A continuación se describen las especificaciones principales consideradas en el diseño de las partes de los calentadores.

4.1 Consideraciones del diseño termo-hidráulico y mecánico. 4.1.1

Consideraciones del diseño termo-hidráulico

Aquí se considera la temperatura máxima permisible del fluido de proceso. Las eficiencias calculadas y reales garantizadas se basan en la carga térmica de diseño, el poder calorífico inferior del combustible suministrado, incluyendo un mínimo de 1.5% de pérdidas por radiación. Los calentadores con sistemas de precalentamiento de aire incluyen un mínimo de 2.5% de pérdidas por radiación. Las eficiencias calculadas para operación en tiro natural se basan en un 20% de exceso de aire cuando el combustible principal es gas, y 25% de exceso de aire cuando el combustible principal es combustóleo. Para el caso de operación con tiro forzado, las eficiencias calculadas se basan en un 15% de exceso de aire para gas combustible y 20% para combustóleo. La temperatura mínima de los gases de combustión a la salida de la chimenea debe ser 463 °K (190 °C) cuando se queme gas combustible y 477 °K (204 °C) para cuando se queme combustóleo. Cuando el combustible contenga azufre, la temperatura de metal calculada en la sección de convección debe ser mayor o igual a 463 °K (190 °C).

4.1.2

Consideraciones del diseño mecánico.

Los serpentines deben fabricarse de tubería sin costura. Para los servicios donde se requiera el uso de tubería rectificada, debe especificarse en las hojas de datos.


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Retornos tipo tapón. Se especifican para permitir la limpieza mecánica de tubos debido a la formación de coque o ensuciamiento, deben ser de dos tapones, se deben localizar en caja de cabezales y seleccionar para la misma presión de diseño que el tubo al que se conectan. Retornos tipo “U”. Los retornos tipo U se utilizan para fluidos limpios, donde no se espera la formación de coque o ensuciamiento de los tubos, donde las fugas sean un riesgo y donde se prevean instalaciones para el decoquizado por aire-vapor de los tubos del calentador.

4.2 Consideraciones del diseño de las partes del CAFD. 4.2.1

Refractario.

En el diseño del refractario se debe permitir la expansión o contracción de todas sus partes, con un contenido máximo de fierro de 1.5% y el vendedor debe proporcionar el procedimiento de secado del concreto refractario incluyendo su curva de secado específica y la protección contra el desarrollo de la hidrólisis alcalina.

4.2.2

Chimeneas, ductos y caja de humos.

Todas las chimeneas deben ser fabricadas de placa de acero y del tipo auto soportada con una altura mínima de 32 m, sobre el nivel de piso terminado. En caso de que se encuentren localizadas cerca de poblaciones, la altura se debe determinar de acuerdo al estudio de dispersión de contaminantes específico de la planta, de acuerdo a la NMXAA-107-1988. Cuando la temperatura de los gases de combustión sea hasta 315 °C el refuerzo de acero al carbono es aceptable y arriba de 315 °C se requiere refuerzo de acero inoxidable 18 Cr – 8 Ni. Los últimos 1.5 m de la chimenea, deben ser de acero inoxidable 11 – 13 Cr.

4.2.3

Quemadores.

Para el diseño se considera como base la composición química de los combustibles, de acuerdo al análisis efectuado por el laboratorio. Todos los quemadores deben ser de alta eficiencia, bajo NOx, y con atenuador de rui do, deben cumplir con la norma NOM-085-SEMARNAT-1994 vigente en el momento en que inicie la operación de los calentadores, y deben incluir los sistemas requeridos para cumplir con los límites de emisiones contaminantes establecidos en esta norma. Se debe tomar en cuenta una vida útil garantizada para los materiales de las boquillas de combustóleo y gas, atomizador y esprea, como mínimo de 2 años. El quemador debe diseñarse para funcionar con él (los) combustible (s) y excesos de aire que se indican en las hojas de datos del quemador. Se deben diseñar con quemadores múltiples debiendo tenerse un piloto por cada quemador, debe diseñarse para prevenir el retroceso de la flama. La caída de presión máxima a través del quemador para calentadores a fuego directo es de 7.62 mm de agua a condiciones de diseño. Debe diseñarse para un nivel de ruido máximo permisible de 85 decibeles a una distancia de un metro del punto de generación de este, medido en respuesta lenta en la escala "A" del medidor (sonómetro), en caso de rebasar este valor, el quemador debe llevar un atenuador de ruido para cumplir con dicho requisito.

28




La garganta de los quemadores se diseña para proveer un mezclado eficiente del aire de combustión y el combustible y lograr la eficiencia de la flama de gas o de combustóleo o cualquier combinación de ellos. Deben minimizar la erosión, taponamiento y corrosión de las boquillas cuando quemen los combustibles. El quemador y su cañón podrán desmontarse mientras el calentador esta en operación. El diseño debe permitir una fácil inspección, con objeto de reemplazar el cañón. La liberación de calor por quemador y el arreglo de quemadores, es tal que, la flama no alcance directamente los tubos cuando opere a un 125% de la liberación de calor de diseño. Se suministran puertas o lumbreras de encendido cuando no sea práctico hacer el encendido a través del quemador. Cuenta con sistema para que el suministro de aire a cada quemador pueda ajustarse manualmente. El quemador se diseñar para unos límites de operación de 50% a 125% de la liberación de calor de diseño basado en las características del combustible y exceso de aire.

4.2.4

Atomizador (para combustible líquido).

Se diseña el atomizador para utilizar vapor como fluido auxiliar para la atomización, a menos que se especifique atomización mecánica u otro fluido auxiliar, con materiales adecuados para garantizar un buen funcionamiento de todas y cada una de las partes que lo constituyen. La tubería principal (atomizadora) debe permitir obtener un buen rango de regulación para el caudal de combustible requerido. Las toberas distribuidoras (boquillas) deben permitir una adecuada mezcla de combustible-fluido auxiliar, además de proporcionar una forma de flama adecuada y los materiales debe tener características que soporten las altas temperaturas a las cuales estará expuesta. El atomizador debe presentar un diseño adecuado para que el consumo de vapor no exceda del 15% al 20% en peso de combustible atomizado.

4.2.5

Pilotos.

La flama del piloto debe tener suficiente estabilidad y penetración para lograr el encendido del quemador, debe regularse manualmente y ajustarse para consumir un mínimo de combustible. El material del extremo del piloto debe ser resistente a la corrosión y erosión a la temperatura a que esté expuesto. La presión normal de operación del piloto debe ser de 4.8 psi, ser del tipo de retención de flama y debe diseñarse para consumir gas combustible y permanecer encendido durante la operación.

4.2.6

Registros de aire.

Los registros de aire primario y secundario deben presentar suficiente área de paso para suministrar el exceso de aire requerido para la combustión y deben ser de ajuste manual para poder regularlos en cualquier momento y fabricados de acero dúctil.


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4.2.7

Sopladores de hollín.

Los sopladores deben ser automáticos, secuenciales y totalmente retráctiles. Se suministran para soplar no más de 2 camas de tubos con superficie extendida hacia arriba y 2 hacia abajo. Los sopladores de hollín se diseñan para resistir la corrosión a las condiciones de operación, para operar satisfactoriamente cuando el calentador queme los combustibles y cuando se use combustión de aceite-gas, deben dominar las propiedades del aceite. El tamaño, cantidad y espaciamiento se diseña de acuerdo con la sección de convección y condiciones de operación; las lanzas y boquillas deben ser de acero inoxidable 18 Cr-8 Ni. Cada soplador debe tener botón de arranque local alambrado en taller a prueba de explosión. Las estaciones de control local deben estar sujetas a los mismos dispositivos de protección y seguridad presentes en el sistema primario de control de sopladores. El mecanismo debe ser a prueba de polvo, totalmente hermético y permitir el mantenimiento y/o ajuste del elemento sin desmontar el cabezal. Una vez conectada la línea de vapor a cada soplador, se revisa que la operación de los accionadores sea correcta, haciéndolo funcionar desde el cuarto de control, asegurándose de que cada soplador gire libremente y circule el vapor de barrido a través de él sin ninguna dificultad. Las válvulas deben incluir el suministro automático del vapor y venteo para control de temperatura, válvulas para drenaje, enlazado con el control de los sopladores de hollín y válvulas manuales para corte de vapor.

4.2.8

Reguladores de tiro.

El regulador de tiro debe permanecer en la última posición a falla de la fuerza accionadora. Deben ser accionados con actuadores neumáticos regulables con electroposicionador con señal de 4-20 mA, a falla de aire debe abrir. Debe contar con accionador hidráulico manual como opción ante la falla neumática, y un sistema de accionamiento hidráulico desde el nivel de piso.

4.2.9

Ventiladores.

El ventilador de tiro forzado, debe ser apropiado para servicio a la intemperie y estar localizado a nivel de piso. El de tiro inducido debe ser apropiado para servicio a la intemperie, y de preferencia estar localizado sobre el techo de convección. La entrada del ventilador de tiro forzado debe estar equipada con un silenciador y malla de 13 mm, así como protección contra lluvia. Los ventiladores deben ser de un diseño de álabes curvados hacia atrás, accionarse con motor eléctrico con protección para sobrecarga y el control del volumen de aire o de gases de combustión debe ser mediante compuertas.

4.2.10 Precalentadores de aire. Los precalentadores aire - gas deben ser del tipo regenerativo o recuperativo estacionario, los regenerativos deben ser del tipo Ljungstrom o equivalente y suministrarse con motores duales eléctrico y neumático, para permitir la operación en caso de falla de energía eléctrica. Debe ser de acero inoxidable 18 Cr – 8 Ni o equivalente para minimizar la corrosión a bajas temperaturas.

30




Los precalentadores se suministran con sopladores de hollín con vapor y con previsión de lavado con agua a través del soplador. Cuando se especifique como combustible a utilizar el combustóleo, no se permite el uso de precalentadores de tubos térmicos.

4.2.11 Conexiones para instrumentos y auxiliares. Las conexiones para los instrumentos requeridos para cada calentador se deben suministrar de acuerdo a lo establecido en el DTI (diagrama de tubería e instrumentación) correspondiente. Las conexiones mínimas para instrumentos son las siguientes. a) b)

Para temperatura del fluido de proceso, en la tubería de enlace de radiación en cada paso. Para temperatura del aire de combustión para calentadores de tiro forzado o con sistema de precalentamiento de aire. c) Para temperatura de gases de combustión en todo el calentador incluyendo el sistema de precalentamiento de aire. d) Para presión del aire de combustión en calentadores de tiro forzado o con sistema de precalentamiento de aire. e) Para presión de gases de combustión en todo el calentador incluyendo el sistema de precalentamiento de aire. f) Para muestreo de emisiones contaminantes a la atmósfera en cada chimenea de acuerdo a la norma NMXAA09-1993-SCFI. g) Para muestreo de gases de combustión, adicionales a los requeridos para el muestreo de las emisiones contaminantes a la atmósfera localizadas en la chimenea, en la salida de cada sección de radiación y a la salida de convección. h) Para vapor de purga, en cada hogar de la sección de radiación. i) Para drenaje y venteo. j) Para temperatura de metal de los tubos, un termocople por termoskin a la salida de cada paso. k) Para análisis continuo de oxígeno y monóxido de carbono a la salida de cada hogar o cámara de combustión.


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5 PRINCIPIOS D DE O OPERACIÓN D DE LLOS C CAFD.

La transferencia de calor es un proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura y que el calor se transfiere de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través ondas electromagnéticas.

5.1 Transferencia de calor. Los tres mecanismos de transferencia de calor están presentes en la operación de un calentador a fuego directo. La radiación juega un papel importante a temperaturas muy altas, especialmente cuando la flama es luminosa (la luminosidad, no obstante, no es un requisito puesto que la radiación térmica se halla en su mayor proporción en el espectro infrarrojo y este es invisible para el ojo humano). En la conducción de calor a través de sólidos se presenta una transferencia de energía por medio de un cuerpo cuyas moléculas, excepto por vibración, permanecen en una posición fija. En la convección el calor es absorbido primeramente de la fuente de las partículas de fluido más cercanas a ella, y posteriormente transfiere el calor al resto del fluido por un mezclado interno.

5.1.1

Radiación.

La radiación térmica presenta las siguientes características: 

Viaja a la velocidad de la luz dado que es de la misma naturaleza.



Puede viajar a través del vacío, no requiere de un medio de conducción.

 Al igual que la

luz, está controlada por las leyes de la física: electromagnetismo y mecánica cuántica.

El flujo de calor transferido por radiación (q) depende de la diferencia entre la temperatura del cuerpo que emite radiación y el cuerpo que lo recibe, elevadas a la cuarta potencia. Está relación se expresa en la siguiente ecuación:

q



F  ε1  σ  (T14  T24 )

Dónde: q = Calor por unidad de área transferido de un cuerpo caliente (1) a un cuerpo frío (2). T1 = temperatura absoluta del cuerpo caliente, °R T2 = temperatura absoluta del cuerpo frío, °R Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 ©

33





F

= Constante =0.173 x 10-8 BTU/h pie2 °R 

= Factor relacionado con la geometría del cuerpo emisor y receptor y su potencial de emisión (emisividad) respectivamente.

En una flama, los sólidos (carbón, cenizas) son buenos emisores de radiación; sin embargo, sus principales emisores son algunos de los componentes gaseosos de los productos de combustión, en especifico los de tres átomos en su molécula como: CO2, H2O y SO2. Un calentador a fuego directo normalmente se diseña para transferir en la zona de radiación, aproximadamente un 70% del calor total, así que cualquier descenso en la temperatura de la flama ocasionará un descenso muy marcado en la cantidad de calor transferido por radiación debiéndose esto a que la transferencia de calor por radiación, depende de la temperatura a la cuarta potencia. Dada la importancia del nivel de la temperatura de la flama y el impacto del exceso de aire en éste, en el tema del exceso de aire se hará hincapié en la necesidad de utilizar un exceso de aire tan bajo como sea posible.

5.1.2

Convección.

La transmisión del calor por convección se debe al movimiento de un fluido. Una película de fluido frío en contacto con una superficie caliente recibe calor que se imparte a todo el fluido por mezclado. La transferencia de calor por convección puede ser:

Natural.- Cuando el movimiento del fluido no se efectúa mecánicamente por agitación o por bombeo y sólo se debe a las diferencias internas de densidad del fluido. Forzada.- cuando el movimiento del fluido se efectúa por medios mecánicos como la agitación o el bombeo de fluido por tubos de transferencia. El flujo de calor por convección se da en el interior de los tubos, del fluido que se encuentra en contacto con los tubos hacia la parte de fluido que circula en el centro de los tubos y en el exterior de los tubos de los gases de combustión a las paredes de los tubos de la zona de convección.

5.1.3

Conducción.

La conducción es la transferencia de calor a través de un sólido fijo, cuando es sometido a una diferencia de temperaturas en sus extremos, el calor será transferido del extremo caliente al extremo frío por vibración de las moléculas (del exterior al interior de los tubos de un CAFD); en el lado caliente la vibración de estas es mayor y se va propagando por choque de moléculas. El flujo de calor transferido por este mecanismo es proporcional al gradiente de temperatura existente en un material, a su espesor y a la conductividad térmica de éste.

5.2 Mecanismos de la transferencia de calor en CAFD. En un CAFD se presentan todos los mecanismos de transferencia de calor, en forma aislada o combinadas, tanto en la zona de radiación como en la de convección.

34




5.2.1

En la zona de radiación.

a)

Se presenta transferencia de calor por radiación de la flama a los tubos y al refractario, y del refractario a los tubos principalmente. Este es el mecanismo de transferencia más importante en esta zona.

b)

Se transfiere calor por convección, en una proporción no muy alta, de los gases de combustión a los tubos de la zona de radiación y por este mismo mecanismo se transfiere calor de los tubos hacia el fluido del proceso.

c)

Se transfiere calor por conducción a través de la pared de los tubos del serpentín de radiación, y atrevas del refractario y de la placa metálica que lo cubre.

5.2.2

En la sección de convección.

a)

Se transfiere calor por radiación de los gases calientes que están en contacto con los tubos en una proporción baja, y por este mismo mecanismo se transfiere calor de la flama y del refractario a los tubos expuestos directamente hacia la zona de radiación.

b)

Se transfiere calor por convección, en una proporción alta, de los gases de combustión a los tubos de superficie desnuda o superficie extendida, y por este mecanismo se transfiere calor de la superficie interna de los tubos hacia el fluido de proceso manejado en los bancos de convección.

c)

Se transfiere calor por conducción a través de las aletas y la pared de los tubos hacia el lado frío y la placa exterior.

En la Fig. 5-1 se ilustra la forma en que se da la transferencia de calor por radiación de la flama a las paredes del tubo, por conducción de la superficie externa a la superficie interna del tubo y por convección del fluido en contacto con el tubo al fluido que circula por el centro del tubo, o sea el que no esta directamente en contacto con el tubo. Fluidode proceso Flama

Pareddeltubo

Transmisión delcalorpor



FIG. 5-1. ACCIÓN DE LOS MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA ZONA DE RADIACIÓN DE UN CALENTADOR.


35



6 COMBUSTIBLES.

Un combustible es todo material que al oxidarse libera energía; el aprovechamiento de esta energía debe resultar costeable para seleccionar al combustible adecuado.

6.1 Tipos y características. Los combustibles se clasifican según su estado físico de la siguiente forma:

a)

Gaseosos.

b)

Líquidos.

c)

Sólidos.

a)

Combustibles gaseosos.

Estos combustibles se emplean en estado gaseoso por su más fácil manejo, siendo los quemadores, para este tipo de combustibles, los más sencillos en su construcción y su operación. Dado que de estos combustibles se encuentran en el mismo estado de agregación que el aire, el mezclado entre ambos ingredientes para la combustión no resulta difícil y generalmente se requieren proporciones pequeñas de aire en exceso para lograr una combustión completa. Ejemplos de este tipo de combustibles son los siguientes:

b)



Gas natural.



Gas de síntesis.



Gas de refinería.

Combustibles líquidos.

Estos combustibles a temperatura ambiente se encuentran en estado líquidos y para poder quemarlos es necesario pasarlos a la fase gas o atomizarlos en pequeñas gotas en forma de niebla, para facilitar así el mezclado de éstos con el aire de combustión. El método más común de atomización es la utilización de un fluido atomizaste que por lo general es vapor de media presión o bien de aire comprimido.


37



Los quemadores para este tipo de combustibles deben poseer un mecanismo para llevar a cabo internamente la atomización de dicho combustible. Además, el diseño del registro de aire de combustión y del quemador en general, debe ser tal que permita un mezclado lo más íntimo que sea posible entre el combustible atomizado y el aire de combustión. La cantidad de aire en exceso necesaria para una combustión completa para estos combustibles es superior a la que se requiere para los combustibles gaseosos. Ejemplos de este tipo de combustibles a nivel industrial son los siguientes: 

Diesel.



Combustóleo ligero.



Combustóleo pesado.

c)

Combustibles sólidos.

Estos tipos de combustibles se encuentran en estado sólido a temperatura ambiente y pueden emplearse en este estado si son sometidos a un proceso de molienda, hasta obtener un polvo muy fino que, al ser quemado, se mantiene suspendido en el hogar durante el tiempo que sufre su combustión. Otra manera en que son empleados estos combustibles es mezclados en forma de polvo, con un combustible líquido. Los sistemas de combustión para este tipo de combustibles son los de diseño más sofisticado y de operación más complicada. Los excesos de aire requeridos para llevar a cabo una combustión completa para este tipo de combustibles son superiores a los que se requieren para combustibles líquidos y gaseosos. El combustible sólido más común es el carbón en sus diferentes formas, de acuerdo con la transformación que ha sufrido a lo largo del tiempo debido a las condiciones de presión y temperatura a las que ha sido expuesto. Algunas formas del carbón son las siguientes: 

Turba.



Lignito.



Carbón bituminoso.



Antracita.

6.1.1

Características de los combustibles.

Los parámetros principales que caracterizan a un combustible son los siguientes: 

Peso Molecular

Es el peso de una molécula y en los hidrocarburos aumentando a medida que la molécula tiene más átomos de carbón e hidrogeno; los de menor peso molecular son gaseosos: metano, etano, propano y butano. Los hidrocarburos líquidos se tienen con un amplio rango de pesos moleculares, desde las naftas de bajo peso molecular, hasta el combustóleo pesado. 

38

Poder Calorífico.




La cantidad de calor neto generado, producto de una combustión completa para un combustible determinado se denomina poder calorífico (PC). Se determina en el laboratorio laboratorio midiendo directamente directamente el calor generado en un calorímetro, o se puede estimar matemáticamente mediante el análisis químico de la composición del combustible. Está expresado en kcal/kg para combustibles sólidos y líquidos o en kcal/m 3 para combustibles gaseosos. Como se mencionó anteriormente, los productos de la combustión del hidrógeno son calor y vapor de agua. Este vapor de agua contiene un calor latente de vaporización, que se aprovechará sólo si puede ser intercambiado con el proceso antes de enviarse a la atmósfera. Para esto deberíamos enfriar los productos de la combustión prácticamente hasta la temperatura de condensación del vapor de agua a la presión atmosférica, con el fin de que este vapor se condense, devolviendo de esta forma su carga térmica al proceso. Al calor total de combustión que libera un combustible, teniendo en cuenta al calor latente de vaporización, se lo denomina poder calorífico superior (PCS). En realidad, los productos de la combustión nunca se enfrían hasta la temperatura de condensación del vapor de agua, sino por lo contrario, se procura evitar toda condensación debido a las propiedades corrosivas de la combinación del H2O, SO2 y SO3 productos de los gases de combustión, Fig. combustión, Fig. 6-1. Temp. °C

Punto de roció de los gases de combustión

200 175 150 125 100

Temperatura mínima del metal para evitar la corrosión

75 50 0

1

2

3

4

% de Azufre en el combustible

FIG. 6-1. TEMPERATURA MÍNIMA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN EN FUNCIÓN DEL % DE AZUFRE.

Estos al combinarse forman ácido sulfúrico (H 2SO4), que se deposita sobre las superficies de los equipos provocando la corrosión de éstos. A esta temperatura límite de condensación del vapor de agua la llamaremos temperatura de rocío. Al calor de combustión real que libera un combustible, sin tener en cuenta el calor latente de vaporización del agua, se denomina poder calorífico inferior (PCI). Por lo tanto, la diferencia entre PCS y PCI es igual al calor de condensación del vapor de agua resultante de la combustión del combustible. La relación PCI/PCS depende de la proporción de los elementos carbono e hidrogeno presentes en el gas combustible. Para los gases combustibles más usuales el valor de PCI/PCS oscila entre el valor de 0.9. 

Viscosidad.

Es la resistencia que tienen los fluidos a desplazarse, es decir, es una medida de la fuerza que es necesaria aplicar para originar un movimiento interno en un fluido. Conforme la viscosidad aumenta, la fuerza que es necesaria aplicar es mayor y la fluidez del líquido es menor. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 ©

39





Densidad.

Es una medida del contenido de masa de una sustancia en una unidad de volumen.

6.2 Condiciones de suministro. 6.2.1

Combustibles gaseosos.

Los combustibles gaseosos no requieren equipo complejo para su preparación antes de su quemado, normalmente solo se requiere de un sistema de tubería de distribución y válvulas que regulen el flujo y la presión de suministro para adecuarlos a las condiciones óptimas de operación de los quemadores especificadas por los proveedores.

6.2.2

Combustibles líquidos.

Los combustibles líquidos requieren ser atomizados en el quemador y por esta razón tienen que ser sometidos a calentamiento hasta una temperatura a la cual su viscosidad viscosidad sea lo suficientemente suficientemente baja como para permitir una atomización eficiente en la parte del quemador diseñada para tal efecto; lo anterior aunado al hecho de que para la atomización se requiere vapor, hace que el manejo de combustibles líquidos sea considerablemente más complicado que el de combustibles gaseosos.

6.2.3

Combustibles sólidos.

Los combustibles sólidos sólidos son los de manejo más complicado complicado debido al proceso de molienda a que deben ser sometidos y a que deben transportares en sistemas de sólidos o fluidizados ya sea en aire o en suspensión, con un combustible líquido. Debido a la mayor dificultad para efectuar un mezclado íntimo entre estos combustibles y el aire de combustión, los quemadores para este tipo tipo de combustibles son de diseño más complejo.

6.3 Medio atomizante. Los métodos de atomización de un combustible líquido para ser quemado son los siguientes: 





40

Atomización mecánica por presión. 

Atomización mecánica por presión directa



Atomización mecánica por presión con recirculación de fluido.

Atomización con fluido auxiliar 

Atomización con vapor.



Atomización con aire.

Atomización mecánica por copa rotatoria.


“En PGPB la más alta prioridad e s l a s e g u r i d a d d e n u e s t r o s t r a b a j ad ad o r e s , n u e s t r o s c l i e n t e s , n u e s t r o s v e c i n o s y e l medio ambiente”


6.3.1

Atomización mecánica por presión.

En este tipo de atomización, el combustible es forzado a pasar a presión a través de una boquilla de diseño especial, la cual provoca que el fluido se atomice.

6.3.2

Atomización con fluido auxiliar

En este tipo de atomización se aprovecha la presión del fluido auxiliar para que al incidir sobre el combustible líquido en el atomizador, sea dividido en pequeñas gotas en suspensión con el fluido atomizaste y conducido hacia la boquilla del quemador por donde la suspensión es enviada al exterior en forma de niebla que se mezcla con el aire de combustión y pasa a la garganta del quemador donde se realiza la combustión. Los quemadores de atomización por vapor tienen la posibilidad de quemar cualquier combustible líquido a una temperatura tal que su viscosidad sea adecuada para el quemador. El vapor requerido es vapor seco de 75 a 150 psi con un consumo aproximado de 0.2 lb de vapor por Ib de combustible.

6.3.3

Atomización mecánica por copa rotatoria.

Este tipo de atomización se realiza por la acción de una copa metálica de forma cónica que gira a alta velocidad y por cuya parte extrema el combustible líquido es lanzado por fuerza centrífuga hacia una corriente de aire de baja presión que fluye alrededor de la copa hacia hacia el hogar del horno. La copa rotatoria usualmente se se encuentra fija una extensión de la flecha del soplador centrífugo de baja presión pre sión y el aceite es conducido hacia la copa a baja presión a través de la flecha que es hueca. El motor, soplador, bomba y copa atomizador comúnmente se encuentran integrados en una unidad compacta.


41



7 COMBUSTIÓN.

7.1 Fundamentos básicos de la combustión. La combustión es una reacción química entre un combustible y oxígeno que produce luz y calor (CONAE). La producción de calor el punto de interés. Esta reacción en la industria es empleada en calentadores a fuego directo para el calentamiento de fluidos por medio de los productos de combustión. Para que la reacción pueda llevarse a cabo debe alcanzarse la mezcla adecuada de combustible aire y se debe mantener la temperatura mínima de ignición. Una vez iniciada la combustión, se propagará de una molécula a otra, generando por sí solo (en condiciones normales) la energía necesaria para elevar el resto de su masa a la temperatura de inflamación, sin la necesidad continuar con la fuente de ignición. Este proceso se mantendrá mientras el calor proveniente de la reacción sea mayor que el cedido al medio que lo rodea. La mayoría de los combustibles utilizados en la industria, están compuestos fundamentalmente por carbón, hidrógeno y pequeñas cantidades de azufre. Como resultado de la combustión de estos tres elementos básicos se obtienen lo siguiente: 

El oxígeno del aire usado como comburente.



El carbono e hidrógeno del combustible.



Otros elementos (azufre) e inertes (cenizas).

Reacciones del carbono: C



C CO

La reacción del hidrógeno es: H2


 CO2

O2



1 O2 2





1 2

O2

1 O2 2



32.780 MJ/kg

 CO



 CO2

 H2 O



9.188 MJ/kg



10.111MJ/kg

188.680 MJ/kg

43



1

Si el agua se condensa: H2



La reacción del azufre es: S



2

O2

O2

 H2 O  SO2





142.107 MJ/kg 2.957 MJ/kg

Cuando la combustión se realiza en laboratorio utilizando proporciones exactas de mezcla combustible/oxígeno, obtenemos como productos de la combustión solamente dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre (si hay azufre presente). En este tipo de ensayo de laboratorio se obtiene lo que llamaremos: combustión perfecta o estequiométrica. La combustión completa o estequiométrica es cuando todo el carbono se oxida en CO 2: C H2

O2



1



2 S



 CO2

O2

 H2O

O2

 SO 2

12 g de C, necesitan 22.4 l de O2 2 g de H2, necesitan 11.2 l de O2 32 g de S, necesitan 22.4 l de O2

La máxima temperatura de flama para un determinado combustible se obtiene mediante una combustión perfecta. Si utilizamos más oxígeno del requerido para una combustión perfecta, este exceso no reaccionará en la combustión, reduciendo por lo tanto la temperatura de flama, y en consecuencia este exceso aparecerá como producto final de la combustión. En cambio, si la combustión se realiza con menor porcentaje de oxígeno de lo necesario, aparecerán como productos de la combustión, sumados a los nombrados anteriormente: monóxido de carbono (CO), hidrógeno gaseoso (H2), compuestos hidrocarburos (CXHY), sulfhídrico (H2S) y carbón (C). Estos compuestos son el resultado de una combustión imperfecta e incompleta y producen contaminación ambiental. En una combustión rica, con suficiente aporte de oxígeno, el butano se combina con el oxígeno y se convierte en CO2 y H2O mediante la siguiente reacción. C4H10



13 O2 2

 4CO2



5H2O



3012 BTU/PIE 3

Ejemplo 1.- Calcular la cantidad de aire necesaria para la combustión, a 400ºC, de 1 m 3 de un gas cuya composición en volumen es la siguiente: 23.7% CO, 6.5% H 2, 1.9% CH4, 5.3% CO2 y 62.6% N 2. Determinar también la composición en volumen de los gases después de la combustión. Se supone que el aire contiene 21% de oxígeno y el resto nitrógeno, y que la combustión se produce sólo para los tres primeros gases. 1 m3 del gas contiene: 0.237 m 3 de CO, 0.065 m3 de H2 y 0.019 m3 de CH4 A continuación escribimos las reacciones de combustión para estos gases y el volumen de oxígeno necesario en cada una de ellas: 2 CO + O2 <--> 2 CO2 V1 = 0.237/2 = 0.119 m3 2 H2 + O2 <--> 2 H2O V2 = 0.065/2 = 0.033 m3

44




CH4 + 2 O2 <--> CO2 + 2 H2O V3 = 2·0.019 = 0.038 m3 V = 0.119 + 0.033 + 0.038 = 0.190 m3 de O2, que de aire suponen: 

V(aire) = 0.190·  = 0.905 m3 Los gases que nos quedan después de la combustión son los producidos por las reacciones más los que no han participado en las mismas, es decir: V(CO2) = 0.053 + 0.237 + 0.019 = 0.309 m3 

V(N2) = 0.626 + 0.905·  = 1.341 m3 (para el nitrógeno hay que sumar el que proviene del volumen de aire empleado en la combustión) V (H2O) = 0.065 + 0.038 = 0.103 m3 V(total) = 0.309 + 1.341 + 0.103 = 1.753 m3 luego la composición de la mezcla de los gases que nos queda será:  

· 100 = 17.6 % CO2

 

 

· 100 = 76.5% N2 · 100 = 5.9% H2O

7.2 Etapas de la combustión. La reacción de combustión se lleva a cabo en varias etapas, en las cuales se crean momentáneamente otras sustancias antes de que se forme el bióxido de carbono y el vapor de agua o el monóxido de carbono en el caso de las reacciones incompletas. La reacción de combustión del metano se lleva a cabo en las siguientes 6 etapas: 1°.

Formación de alcohol.

2°.

Formación de alcohol secundario.

3°.

Conversión del alcohol secundario a formaldehído y agua.


45



4°.

Reacción del formaldehído con más oxígeno para formar ácido fórmico.

5°.

Descomposición del ácido fórmico a monóxido de carbono y agua.

6°.

Oxidación del monóxido de carbono para formar el bióxido de carbono.

La reacción de combustión completa del metano se da mediante la siguiente reacción: CH4



2O2

 CO 2

2H2O





911 BTU/PIE 3

La reacción de combustión del metano (CH4) se desarrolla en las siguientes etapas: 1°. El oxígeno se disocia y reacciona con el metano formando un alcohol: CH4

2°.



O2



CH3 OH



O

El alcohol reacciona con el átomo de oxígeno formando un alcohol secundario: CH3 OH

3°.



O 

CH2 (OH) 2

El alcohol secundario se descompone generando formaldehído y agua: 

CH2 (OH)2

4°.

CH2O

H2O



El formaldehído reacciona con más oxígeno y se convierte en ácido fórmico: CH2 O

5°.



O 

CHOOH

El ácido fórmico se descompone a monóxido de carbono y agua: CHOOH 

6°.

CO



H2 O

El monóxido de carbono se oxida formando el bióxido de carbono: CO



O



CO2

La descripción de las etapas de la combustión del metano (mecanismo de reacción) nos da una idea de cuando una reacción de combustión es incompleta y porque en ocasiones solo se forma monóxido de carbono que físicamente es el que genera el humo de color negro.

7.3 Aire atmosférico para la combustión. El oxígeno requerido para la combustión proviene del aire atmosférico que está compuesto por una mezcla de oxígeno, nitrógeno y pequeñas proporciones de dióxido de carbono, vapor de agua, argón y otros gases inertes, la composición típica es la siguiente:

46




TABLA 7-1. COMPONENTES DEL AIRE PARA LA COMBUSTIÓN. Componente del aire

% Volumen

% Peso

Nitrógeno (N2)

78.03

76.85

Oxígeno (O2)

20.99

23.15

Inertes (Ar, etc.)

0.98

Para proveer a la combustión de 1 kg de oxígeno, tendremos que suministrar 4.32 kg de aire seco de los cuales 3.32 kg corresponden al nitrógeno y gases inertes. El nitrógeno prácticamente no interviene en la reacción de combustión, pero influye en la eficiencia del calentador, debido a que parte del calor de la combustión lo absorbe este compuesto, y se escapa por la chimenea a la misma temperatura que el resto de los gases de combustión sin aporte energético alguno. Esto último genera menores temperaturas de flama, comparado con las temperaturas que se obtienen utilizando oxígeno puro.

7.3.1

Aire teórico o estequimétrico.

Todo combustible, durante su combustión, requiere de una fuente primaria de oxigeno; empleándose aire en la mayoría de los casos. Sin embargo hay ocasiones en que se emplea oxígeno puro o mezclas aire-oxígeno. El aire teórico para la combustión es aquel que proporciona la cantidad exacta de oxígeno requerido por la combustión, de acuerdo con la reacción de combustión, expresada como una ecuación química balanceada (cada uno de los elementos químicos presentes en los reactivos, deben hallarse en la misma cantidad en los productos y variando solamente en la forma en la que se encuentran combinados entre ellos). Ejemplo: Para la combustión del metano (CH4), cada m3 requiere 2 m3 de oxígeno; pero a cada m3 de O 2 del aire lo acompañan 3.76 m3 de N2, por lo que en total se introducen 7.52 m3 de N2, dando un total de 9.52 m3 de aire, de acuerdo con la reacción de combustión siguiente: CH4



2(O2

Metano

 

3.76 N2 )  2CO 2

Aire

 Gases de



2(3.76 N2 )

combustión

Determine la cantidad de aire teórico que se requiere para quemar 250 m3 de metano. R=

7.3.2

Aire práctico.

En la práctica se requiere una cantidad de aire superior al aire teórico para asegurar una combustión completa y esto se debe a que los procesos de mezclado en los quemadores no son completamente eficientes. El aire práctico es la cantidad real de aire que se utiliza para la combustión de un combustible.


47



7.3.3

Exceso de aire.

La combustión en equipos reales ocurre en tiempo y volúmenes limitados. Si se pretende que la combustión sea completa (combustión perfecta), hay que tener en cuenta que cada molécula de combustible se combina con su correspondiente de aire. Esto realmente no puede realizarse dentro de un equipo térmico. Pero si a las moléculas de combustible les expone a un excedente en aire, aumentaremos la probabilidad de que se combinen todas las moléculas de dicho combustible. También se hace evidente que este excedente de aire no formará parte de la reacción. A esta cantidad de aire por encima del teórico se denomina exceso de aire. Dependiendo del combustible y del quemador, será necesario un cierto exceso de aire para asegurar una combustión completa. Los excesos de aire requeridos típicamente son los siguientes: TABLA 7-2. EXCESO DE AIRE EN LA COMBUSTIÓN. Combustible

% exceso de aire

Gas

10 – 20

Líquido

20 – 30

El exceso de aire que sobrepase los valores mencionados ya no ayudará a tener una combustión más completa y originara un desperdicio de energía en los equipos de combustión, ya que el sobre exceso de aire absorbe la energía que está siendo liberada por el combustible y solo cede parte de esta energía en el equipo de combustión, llevándose al restante hacia la atmósfera por la chimenea. 100 90 80 E 70 R I A 60 E D O 50 S E C X 40 E E D 30 %

% DE % DE AIRE OXÍGENO EN EXCESO 0 0 1 4.5 2 9 3 14.6 4 22 5 30 6 39 7 49 8 59.5 9 70.5 10 85 11 100

20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

% DE OXÍGENO

FIG. 7-1. % DE EXCESO DE AIRE EN FUNCIÓN DEL % DE O2 EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL.

48




A pesar de que el exceso de aire reduce el rendimiento del calentador, es de vital importancia para la seguridad de la operación, por lo que es indispensable aumentarlo durante los períodos transitorios debido a variaciones de la carga. En la Fig. 7-2, se ilustra la presencia de una mezcla peligrosa dentro del hogar si en algún momento se baja del 0% de exceso de aire. Ineficiente inseguro

Ineficiente seguro

Eficiente seguro

Pérdidas de calor

Pérdidas debido combustión incompleta

0%

Pérdidas debido al exceso de aire

20%

Exceso de aire

FIG. 7-2. INCIDENCIA DEL EXCESO DE AIRE SOBRE EL RENDIMIENTO Y LA SEGURIDAD EN UN CAFD.

El exceso de aire empleado se deduce del contenido de CO 2 en los humos y puede ser calculado por medio de una fórmula o gráficamente. La fórmula para calcular el % de exceso de aire es la siguiente: % Exceso de aire



Aire

suministrado - Aire estequiométrico Aire estequiométrico

x 100

La gráfica de la Fig. 7-3 nos ayuda a determinar el % de aire en exceso en función del % de CO 2 contenido en los gases de combustión del gasóleo.


49



100 90 80

O S E C X E N E E R I A E D %

70

% DE CO 2

60

8

50 40 30 20 10

% DE AIRE EN EXCESO 100

9

77

10

59

11

43.5

12

33

13

23.6

14

15.2

15

6.8

16

0

0 7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

% DE BIOXIDO DE CARBONO

FIG. 7-3. % DE AIRE EN EXCESO EN FUNCIÓN DEL BIÓXIDO DE CARBONO EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN DEL GASÓLEO .

7.3.4

Exceso de aire en función del monóxido de carbono.

Debe limitarse al mínimo el exceso de aire, sin que aparezca monóxido de carbono (CO), indicando una combustión incompleta. Además del aspecto contaminante del CO, está la relación con el rendimiento de la combustión, pues el calor liberado por la reacción: 2C + O 2 → 2CO, representa sólo la tercera parte del que se podría obtener si todo el carbono se hubiese convertido en CO2. Pero en la práctica no es técnicamente posible operar un quemador con 0% de CO en los gases de combustión. Por ejemplo, quemando gas natural, los niveles de CO pueden reducirse hasta alrededor de 0.004% en peso, dependiendo del exceso de aire, de la configuración del quemador y del tamaño del hogar, pero nunca llega a ser cero. Las relaciones pueden resumirse en dos: a) A menor exceso de aire, mayor producción de CO y viceversa. b) A mayor volumen de hogar (mayor distancia entre flama y tubos), menor producción de CO y viceversa. Los requisitos de bajo O 2 (bajo exceso de aire) y bajo CO son objetivos contradictorios. Se puede tener uno o el otro, pero no ambos al mismo tiempo.

7.3.5

Exceso de aire y óxidos de nitrógeno.

Con el objetivo de obtener los máximos rendimientos posibles de un calentador, se han hecho modificaciones en el diseño del hogar y quemadores, de tal manera que trabajaran con excesos de aire muy reducidos, logrando altas temperaturas de flama. Pero a estas temperaturas, el oxígeno excedente se combina con el nitrógeno proveniente del aire y/o del combustible dando lugar a la formación de monóxido de nitrógeno (NO).

50




La oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) a dióxido de nitrógeno (NO2), sólo representa al 10% del total de NO X producido y tiene lugar en la atmósfera debido a la influencia de la radiación solar. Ambos son considerados contaminantes ambientales. Las altas temperaturas de los gases cumplen el papel de catalizador de dicha reacción. La formación del NO tiene lugar a altas temperaturas y exceso de aire. Los métodos de reducción de NOX se basan fundamentalmente en controlar la combustión, de tal manera que estas dos condiciones no se presenten simultáneamente. Existen varios métodos para reducir los NO X, algunos involucran técnicas de quemado en etapas, nuevos diseños de conjunto hogar/quemadores, aumento en la superficie del hogar, etc. A continuación se describen dos de los métodos más utilizados: a)

La formación del NOx puede reducirse por medio del pasaje de aire secundario al hogar, disminuyendo la temperatura de los gases a la salida del quemador. Esta solución, obviamente, trae consigo una disminución en el rendimiento del calentador, debido al calor que se lleva la masa de aire secundario.

b)

Otra forma de resolver dicho problema consiste en recircular gases de salida del calentador, mezclándolos con el aire a quemadores. Este método desde el punto de vista del rendimiento es notablemente mejor que el anterior, pero involucra mayor costo de equipamiento y control.

7.3.6

Calor disponible en función del exceso de aire.

El fenómeno de la influencia del exceso de aire en la temperatura de los productos de la combustión nos introduce al concepto de energía disponible. La energía disponible se mide como el calor obtenido de la combustión perfecta de un combustible. Si mezclamos un combustible con la cantidad precisa de aire en una cámara cerrada donde recolectamos el calor obtenido y lo medimos, la cantidad de calor recolectado es la energía disponible y esta se relaciona con la temperatura de los productos de la combustión. Por ejemplo 1 pie3 de Metano quemado con la proporción perfecta de aire genera, 1,010 BTU (9.005 kcal) de energía, si los gases de combustión son enfriados hasta 60 ºF (15,6 ºC). Este mismo pie 3, genera 911 BTU (8.110 kcal) de energía, si enfriamos los gases de combustión hasta 220 ºF (105 ºC). El primer valor de energía se le conoce como poder calorífico superior, al segundo valor como poder calorífico inferior. De lo anterior se deduce que mientras mejor aprovechemos la energía disponible de la combustión, menor será la cantidad de combustible necesario para obtenerla. De aquí que mientras más exceso de aire se introduzca (o menor la temperatura del mismo) menor será la energía que se podrá obtener.


51



2000 1800 1600 ) 1400 C ° (

A 1200 R U T 1000 A R E P800 M E T 600

400 200 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000 1100 1200 1300 1400

% DE EXCESO DE AIRE

FIG. 7-4. RELACIÓN ENTRE EL EXCESO DE AIRE Y LA TEMPERATURA DE LA COMBUSTIÓN.

7.3.7

Control del exceso de aire.

El exceso de aire debe ser controlado por los registros de aire del quemador. En un horno de tiro natural, el exceso de aire ser controlado regulando el tiro de la chimenea, pero es más recomendable controlar el exceso de aire a través de los registros del quemador. Una cantidad de aire suficiente tiene que entrar a través de cada registro del quemador para quemar “su” propio combustible, en “su” Propia zona de combustión. Esta necesidad de tener una zona de combustión individual para

cada quemador, es lo que hace necesario controlar el exceso de aire a través del registro de cada quemador.

El error que más frecuente se comete es dejar abiertos los registros de aire de los quemadores fuera de servicio, por lo que, si se trata de usar el regulador de tiro de la chimenea para controlar el exceso de aire, se podrá observar que las flamas de los quemadores que están en servicio se tornan largas y débiles y no habrá forma de bajar el exceso de aire sin operar el calentador en forma ineficiente. Actualmente se usa quemadores que tienen rejillas de salidas libres de aire (plenum) para minimizar el ruido, el cual es el objetivo principal. La instalación del plenum tiene un costo, y restringe la operabilidad y mantenimiento de los quemadores, sin embargo cuando el aire necesario para una fila o hielera de quemadores entra al plenum, el control del aire puede ser efectuado, instalado un regulador en el plenum, el cual puede ser controlado automáticamente. En ocasiones, la entrada de aire a través de las cajas de cabezales, espejos, sellos y como se escribió líneas arriba, registros abiertos de aire de los quemadores fuera de servicio, hacen imposible el mantener un exceso de aire adecuado en el calentador.

52




Puesto que el exceso de aire presente en la cámara de combustión, está directamente relacionado con el combustible desperdiciado, se recomienda efectuar una muestra de gases de combustión a la entrada de la zona de convección, ya que, las muestras tomadas en la chimenea, pueden reflejar infiltraciones de aire en la parte baja de la misma, lo cual no contribuye en el consumo de combustible desperdiciado. El aire suministrado normalmente consiste de: a.

Aire primario

b.

Aire secundario

Aunque en algunos nuevos quemadores, se emplea un aire denominado “terciario” el cual es usado para controlar

las emisiones de oxígeno de nitrógeno. a.

El aire primario es inducido al quemador a través de un vénturi por la rapidez del flujo de gas combustible. Este aire es mezclado con el gas combustible antes de que la combustión suceda, por lo que a este tipo de quemador se le denomina quemador de premezclado.

b.

Se le denomina aire secundario al aire requerido para completar la combustión. Este aire fluye dentro del hogar a través de puertas ajustables que se llaman registros de aire secundario.

Se debe procurar maximizar el uso de aire primario, minimizando el uso del aire secundario. La razón de esto es que el aire primario se mezcla mejor con el gas que el aire secundario, dando como resultado una flama más corta y más compacta, disminuyéndose así el riesgo de que éstos peguen contra los tubos. Abriendo el aire primario en exceso, se separara la flama del quemador. El ajuste del aire primario deberá hacerse hasta que esto suceda o en su defecto, se llegue a su valor requerido. Si en la cámara de combustión se observan flamas amarillas, se deberá abrir lentamente el registro de aire secundario, hasta evitar que choquen las flamas entre ellas.

Fugas de gases. Cuando un calentador está operando con la válvula de la chimenea (damper) muy cerrada y los registros de presión positiva (mayor a la atmosférica) en la base de la sección de convección. Esta presión positiva empuja a los gases de combustión hacia a afuera del horno, lo que acorta la vida del mismo al provocarse el sobrecalentamiento de sus partes constitutivas como son la estructura, ladrillos, techo, soportes, etc. La pérdida de gases por fugas, así como el taponamiento de la sección de convección por refractario caído reducen la recuperación de calor en la sección de convección con la consecuente pérdida de eficiencia del calentador, por lo que es necesario medir el tiro antes y después de esta zona para detectar si se está tapando. Una presión positiva en el puente puede manifestarse a través de los siguientes indicios:  Humo azul que fuga a través del techo y ductos. 



Ennegrecimiento alrededor de bridas y mirillas.



Detección visual por las noches de pequeños sopletes, causados por la fuga de gases a presiones bastante superiores a la atmosférica.


53



Para corregirlas fugas de gases es necesario hacer variar la presión positiva en el puente a presión ligeramente negativa (inferior a la atmosférica), de acuerdo con el procedimiento que se encuentra en el capítulo correspondiente de tiro. Así también, hay que verificar que la zona de convección no esté taponada con refractario (verificando el tiro a la entrada y salida de ésta y comparándolo con los valores obtenidos al inició de la operación del calentador con la sección limpia).

Infiltraciones de aire. Cuando un calentador opera con la válvula de la chimenea (damper) demasiado abierta y los registros de aire secundario muy cerrados, se presentará una presión negativa excesiva, que será inadecuada para la operación correcta del calentador. Esta presión demasiado negativa hará que se infiltre aire del contorno de quemadores, cajas de cabezales, mirillas, puertas de explosión y acceso a través de grietas en la cubierta del calentador. La infiltración de aire al calentador trae consigo los siguientes efectos indeseables:  Provoca que se tengan determinaciones erróneas del exceso de aire en quemadores.  Enfría los gases de combustión disminuyendo la transferencia de calor provocando gastos extras de combustible y pérdidas mayores de energía.  Si ocurre en la zona de convección, se tendrá una deficiencia de aire, lo que genera el riesgo de tener postcombustión en esta zona, ocasionando daños al banco de tubos. Para detectar infiltraciones de aire cuando el calentador está fuera de servicio, con la válvula el damper cerrado, se arrojan al interior del calentador bombas de humo, el cual se verá salir por aquellos lugares por donde se infiltre aire. 

En operación, se minimizan las infiltraciones de aire operando el calentador con la mínima presión negativa en la base de la sección de convección, para reducir la magnitud de la presión negativa, por lo que será necesario ajustar al valor del tiro para reducir este problema. Si las presiones muy bajas dentro del hogar provocan excesivas entradas de aire al equipo, las presiones positivas provocan fugas de gases, por lo tanto, operar fuera del equilibrio de presiones origina problemas. Normalmente la operación del calentador se realiza del lado de infiltraciones de aire (es decir tiro negativo) ya que esto nos permite evitar posible falta de oxígeno para quemar el combustible y garantizar nuestra seguridad y la de los demás; no obstan estamos tan cargados de este lado (gran cantidad de exceso de aire) que requerimos mayor cantidad de combustible para obtener las temperaturas y cargas deseadas en el proceso, ya que entre más aire se maneja, menor es la eficiencia de nuestro calentador. Por lo tanto debemos acercarnos lo más posible al exceso de aire máximo requerido (20% para gas combustible y 30% para combustóleo aprox.) y mantener nuestra operación en ese punto, aunque nos exija una mayor supervisión de la combustión en el calentador, pero con un ahorro grande de combustible. La Fig. 7-5 ilustra una gráfica en la que se determina el % de combustible desperdiciado por el exceso de aire y la temperatura de los gases de combustión en la chimenea del calentador.

54




6

Temp. En Chimenea 427 °C

) 5 % ( O D A I 4 C I D R E P S 3 E D E L B I 2 T S U B M O 1 C

371 °C

260 °C

149 °C

0 0

10

20

30

40

% DE EXCESO DE AIRE

FIG. 7-5. COMBUSTIBLE DESPERDICIADO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN EN LA CHIMENEA Y EL % DE EXCESO DE AIRE

7.4 Temperatura característica de la flama. En la combustión, la energía liberada por el combustible es absorbida inicialmente por los productos de la combustión y es en la zona de combustión donde se alcanza la temperatura más alta en los gases. A esta temperatura pico se le conoce como temperatura de flama. En la zona de combustión los productos intermedios y finales emiten radiación que nosotros podemos captar en forma visible debido a la alta temperatura en que se encuentran. A esta percepción visible se le conoce como flama. Las flamas se caracterizan por su color, longitud y forma. Según su longitud las flamas pueden ser cortas o largas dependiendo del tipo de quemador que se emplee de acuerdo con la necesidad específica. La forma de la flama puede ser cónica o plana y está determinada por la orientación de los orificios de la boquilla y la forma del refractario del quemador. La flama de un combustible gaseoso en el hogar debe ser azul o azul veteada, ligeramente de amarillo. La flama de un combustible líquido debe tener un color amarillo limpio. Estos colores indican que la combustión es buena. En la Fig. 7-6 se indican las zonas que integran la flama durante la combustión.


55



1.Conofrío:nollegaoxígeno 2.Conodereducción:pocooxígeno 3.Conodeoxidación:abundanciadeoxígeno. 4.Zonadefusión:alcanzalos1500ºC

FIG. 7-6. CARACTERÍSTICAS DE LA FLAMA DURANTE LA COMBUSTIÓN.

Deben evitarse humos en el hogar, porque esto evidencia una combustión incompleta. Las llamas amarillas largas y “vaporosas”, que incluso pueden incidir en los tubos, son indicadores de una mala combustión. La longitud de la flama en los quemadores de gas está relacionada con la proporción de aire primario y secundario que entra al quemador; a mayor proporción de aire primario se tendrán flamas más cortas, por lo que si se quiere acortar la flama de un quemador de gas se deberá aumentar la abertura del obturador de aire primario y reducir la abertura de las compuertas de aire secundario; para alargar la flama se procede de manera inversa. En el caso de un quemador de combustóleo la flama será más corta mientras mayor sea la cantidad de aire secundario y /o mayor sea la cantidad de vapor de atomización.

7.5 Temperatura de los gases de combustión. En un calentador a fuego directo los gases de combustión van cediendo energía desde la zona de la flama hasta la salida de la zona de convección y por lo tanto la temperatura de estos va disminuyendo. Mientras más baja sea la temperatura a la que estos gases son desalojados a la atmósfera, menor será la energía que se pierde con ellos y se tendrá una mayor eficiencia en el calentador. El límite inferior de temperatura a la que pueden enfriarse los gases está determinado por el punto de rocío, que es la temperatura a la cual el agua contenida en ellos puede condensares. Cuando dichos gases se ponen en contacto con una superficie que se encuentra a una temperatura lo suficientemente baja para que se condense el agua que contienen, esta se combinara con los óxidos de azufre presentes en los gases generando ácido sulfúrico, un compuesto altamente corrosivo, por lo tanto, para evitar problemas de corrosión en las zonas de convección y en los precalentadores de aire de los calentadores, nunca deberán enfriarse los gases a temperaturas cercanas a su punto de rocío.

7.6 Temperatura de los tubos en radiación y convección. Los tubos colocados en la sección de radiación y convección de los calentadores a fuego directo sirven como medio de transferencia de calor entre los gases de combustión calientes y el fluido del proceso.

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En la zona de radiación los tubos se encuentran a temperaturas altas debido a las altas intensidades de calor radiado por la flama hacia los tubos y cada tubo tiene una temperatura de pared distinta, dependiendo de la intensidad de calor que incide sobre él y de la temperatura del fluido que circula por dentro. Para que la cantidad de calor radiado a los tubos sea lo más uniforme a lo largo de éstos, se busca poner el máximo número de quemadores colocados longitudinalmente. Entre los tubos de dos serpentines paralelos de un calentador pueden existir diferencias marcadas en la temperatura de pared y en la temperatura de salida del fluido de proceso. Esto se deber a que los serpentines presentan diferente resistencia al flujo del fluido del proceso (diferente caída de presión) por tener trayectorias distintas o porque un serpentín tenga más incrustación interna que otro. La acumulación de incrustación interna (carbón), que sucede a lo largo del tiempo de operación en los serpentines de un calentador a fuego directo, hará que la temperatura de pared se incremente y en especial en aquellos puntos sometidos a altas radiaciones lo que puede provocar la aparición de puntos calientes en los tubos de la sección de radiación, y que de no ser corregidos pueden ocasionar falla en los tubos. Por ningún motivo se debe permitir que las flamas de los quemadores incidan en los tubos de radiación, ya que provocarán sobrecalentamiento local, coquización y fallas en los tubos. En la sección de convección tanto los gases como los tubos se encuentran a temperaturas inferiores a las de la zona de radiación. En esta zona el principal mecanismo de intercambio de calor entre los gases de combustión y los tubos es el contacto directo y su magnitud depende principalmente del área de contacto entre gases y tubos y la diferencia de temperatura entre éstos; por lo general los tubos de esta zona poseen superficie extendida ya sea por pernos o por aletas. El hollín que tiende a depositarte sobre la superficie de los tubos de convección cuando se emplea combustóleo, actúa como un aislante entre los gases y la superficie metálica y reduce la transferencia de calor; por esta razón resulta muy importante efectuar la limpieza de los tubos por medio de sopladores de hollín con la frecuencia que indiquen los procedimientos operativos del calentado. Análisis de gases de combustión. Oxígeno (O2) El oxígeno restante no utilizado en la combustión en el caso de utilizar aire en exceso aparece como componente de los gases de combustión y se utiliza para medir el rendimiento de la combustión. Se utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de dióxido de carbono. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 2% - 5% Calderas de gas: 2% - 6% Dióxido de carbono (CO2)


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El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el verde de las hojas, la clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono (CO 2) en oxígeno (O2). La respiración humana y animal convierte el oxígeno (O2) otra vez en dióxido de carbono (CO 2). Esto crea un equilibrio que los productos gaseosos de la combustión distorcionan. Esta distorción acelera el efecto invernadero. El valor límite de efecto es de 5000 ppm. A concentraciones superiores al 15% en volumen (150.000 ppm) en la respiración, se produce una inmediata pérdida de consciencia. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 12,5 % - 14 % Calderas de gas: 8 % - 11 % Monóxido de carbono (CO) El monóxido de carbono es un gas venenoso al respirar, incoloro, inodoro y es el producto de una combustión incompleta. En concentración demasiado alta, no permite que la sangre absorba oxígeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitación es de 700 ppm de CO, una persona respirándolo durante 3 horas morirá. El valor límite es de 50 ppm. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 80 ppm - 150 ppm Calderas de gas: 80 ppm - 100 ppm. Nitrógeno (N2). El nitrógeno (N2) es el principal componente (79% en vol.) del aire que respiramos. Este gas incoloro, inodoro, y sin sabor no interviene en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la chimenea. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas gasoil/gas: 78 % - 80 % Óxidos de nitrógeno (NOX) A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno (N2) presente en el combustible y se combina con el oxígeno del aire (O2) y forma el monóxido de nitrógeno (NO). Después de algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno (O2) para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es soluble en agua, tóxico si se respira (produce daños reversibles en el pulmón) y contribuye a la formación del ozono en combinación con la radiación ultravioleta (luz solar). El NO y NO 2 en conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NOx). Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil/gas: 50 ppm - 100 ppm Dióxido de azufre (SO2) El dióxido de azufre (SO2) es un gas tóxico incoloro con un olor fuerte. Se forma a partir del azufre del combustible. El valor límite es de 5 ppm. El ácido sulfúrico (H 2SO4) se forma en combinación con agua (H2O) ó condensados. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 180 ppm -220 ppm.

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12-02-94 NORMA Oficial Mexicana NOM-085-ECOL-1994, Contaminación atmosférica - Fuentes fijas - Para fuentes fijas que utilizan combustibles fósiles sólidos, líquidos o gaseosos o cualquiera de sus combinaciones, que establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de humos, partículas suspendidas totales, bióxido de azufre y óxidos de nitrógeno y los requisitos y condiciones para la operación de los equipos de calentamiento indirecto por combustión, así como los niveles máximos permisibles de emisión de bióxido de azufre en los equipos de calentamiento directo por combustión.


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8 QUEMADORES.

Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la mezcla para la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada, asegurando la aportación adecuada de ambos para conseguir la máxima potencia calorífica, distribuyendo la zona de reacción (flama) y la circulación de los productos de combustión de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente posible todo el calor producido.

8.1 Factores que influyen en el diseño de quemadores. Para el adecuado diseño de un quemador, es fundamental considerar factores de importancia, tales como la turbulencia, temperatura y tiempo, que definen la velocidad de la reacción; tipo de combustible; forma del calentador, entre otros que se describen a continuación (CONUEE).

8.1.1

Factores de combustión.

Para que la combustión se lleve a cabo adecuadamente, debe existir suficiente turbulencia para lograr la adecuada mezcla; existen dos fuentes de turbulencia, la caída de presión del aire a través del quemador y la energía del combustible. La temperatura a la cual se lleva a cabo la reacción de combustión es importante, mientras más alta sea la temperatura en la zona de combustión la reacción se lleva a cabo con mayor rapidez. El tiempo que se requiere para que se lleve a cabo la combustión es dependiente de la temperatura y la turbulencia. En general, a mayor turbulencia menor es el tiempo que se requiere para que se efectúe la reacción. De igual manera, a mayor temperatura menor el tiempo de reacción. En general los productos de combustión son dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de componentes tales como el monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre. a.

El nitrógeno está presente debido a que la fuente normal de oxígeno es el aire.

b.

El oxígeno está presente porque típicamente, las unidades se operan con exceso de aire, es decir se introduce en la reacción una cantidad de oxígeno (aire) mayor al requerido por la reacción, esto se hace por múltiples razonas entre ellas; las leyes de la química establecen que si se pretende que una reacción se lleve a cabo en un tiempo razonable, debe existir un exceso de uno de los componentes en la reacción. Debido a que normalmente un exceso de combustible no es tolerable, se alimenta un exceso de aire. Otra razón es que el combustible varía continuamente de composición, al tener un exceso de aire se asegura que se tendrá suficiente oxígeno en la reacción, por otro lado los quemadores no son mezcladores perfectos y requieren por esto exceso de aire.


61



c.

La presencia de óxidos de azufre se debe a la presencia de azufre en los combustibles. El azufre se oxida a dióxidos y trióxidos de azufre, aproximadamente el 95% del azufre se convierte en dióxidos, el 5% restante se convierte en trióxidos. Los trióxidos de azufre son productos indeseables ya que si están presente en los gases de combustión aún en pequeñas cantidades, aumentan en forma drástica la temperatura de rocío de los gases. Esto significa que la condensación se produce a una temperatura más elevada provocando problemas severos de corrosión y de lluvia ácida.

d.

Se producen óxidos de nitrógeno durante la reacción de combustión. Estos se producen por la oxidación del nitrógeno en el aire y de los componentes nitrogenados de los combustibles. Se sospecha que los óxidos de nitrógeno destruyen la capa de ozono de la alta atmósfera que nos protege del rayo del sol y es precursor del ozono a nivel de piso, por lo que es un producto indeseable de la combustión. La presencia de este componente está influenciada por el diseño y la operación del equipo.

e.

Componentes tales como hidrocarburos no quemados y monóxido de carbono están presentes en los gases de combustión debido a una reacción incompleta. La presencia de estos componentes están influenciados por el diseño y la operación del equipo.

La operación adecuada de un calentador depende en forma importante del diseño y operación adecuada del quemador. A continuación se discutirán los factores que influencia el diseño de los quemadores.

8.1.2

Colocación de quemadores.

La colocación de los quemadores en piso, pared o techo del horno está definida por; los requerimientos del proceso, la determinación de donde se requiere concentrado el calor y donde debe ser evitado.

8.1.3

Combustibles disponibles.

Solo gas. Cuando se requiere quemar solo gas existen dos tipos de quemadores: Premezcla: En este tipo de quemadores parte del aire de combustión es mezclado con el combustible antes de llegar a la boquilla del quemador. Mezcla en la boquilla: En este tipo de quemadores todo el combustible pasa a través del quemador sin ser combinado con el aire hasta llegar a la boquilla.  Solo combustible líquido. Para poder quemar un combustible líquido se requiere fraccionar, "atomizar", en pequeñas gotas que permiten quemar con efectividad. Esto se hace normalmente alimentando vapor a alta presión. Sin embargo, existen otros métodos tales como alimentación de aire de alta presión o atomización mecánica, esta última se ve limitada si el combustible contiene sólidos ya que los orificios de estas boquillas son normalmente muy pequeños.  Gas y combustible líquido. Cuando se tienen este requerimiento se incluyen en el diseño un quemador de mezcla en la boquilla y un quemador líquido. 

62




8.1.4

Liberación de calor.

Este queda definido por el diseñador de acuerdo a al carga térmica requerida por el horno y la eficiencia del mismo.

8.1.5

Características de la corriente de proceso.

Las corrientes de proceso que contienen componentes inestables que se descomponen con el calor requerirán de condiciones de diseño especial.

8.1.6

Condiciones de tiro.

La caída de presión del aire a través del quemador debe coordinarse con el tiro disponible a través del horno. Si el quemador no se selecciona para al tiro real del horno éste no operará adecuadamente. Como mencionamos con anterioridad una de las fuentes de energía de mezcla es la caída de presión del aire a través del quemador, pero dicha caída debe darse en la garganta del mismo. Si el quemador se selecciona muy grande se requiere cerrar la compuerta de aire provocando que la caída de presión sea en la compuerta, en este caso la energía de mezcla se ve disminuida y la operación del quemador es pobre.

8.1.7

Altitud.

A grandes altitudes se deben hacer consideraciones especiales debido al cambio de densidad del aire. Normalmente para altitudes menores a 100 pies no se requiere hacer correcciones.

8.1.8

Temperatura del aire.

La temperatura del aire así como la altitud afectan la densidad del aire, esto debe ser tomado en cuenta para la adecuada selección del quemador.

8.1.9

Turndown.

Entiéndase por turndown la relación de liberación de calor máxima a mínima. Este deberá ser definida para que el barrenado de las boquillas cubra las necesidades de proceso.

8.1.10 Emisiones. En la actualidad existe una norma ecológica que limita las emisiones de fuentes fijas NOM-085-ECOL-1994. Las emisiones a cumplir definirán el tipo de quemadores que deberán ser seleccionados.

8.2 Clasificación y descripción. Los quemadores se pueden clasificar según el tipo de combustible que manejen como: a)

Quemadores de aceite.

b)

Quemadores de gas


63



c)

Quemadores de combinación aceite-gas.

d)

Quemadores de sólidos.

Dentro de esta clasificación se pueden distinguir 2 tipos; que son tiro natural y tiro forzado.

8.2.1

Quemadores para combustibles gaseosos.

La combustión de gas aparentemente es la más sencilla pero en realidad es más difícil y peligrosa que los otros combustibles. Una razón de lo anterior, es que la flama en muchos tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla en el horno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de fugas dentro del horno, o pérdida de fuego dentro del horno, o pérdidas de fuego dentro de los quemadores, no lo hace visible y por tal motivo no será notado por los operadores dando por consecuencia una explosión. Los quemadores de combustibles gaseosos son de varios tipos y se describen a continuación:

Quemadores abiertos de tiro natural. Se caracterizan por producir una presión negativa en la cámara de combustión que causa el tiro del aire necesario, usualmente a través de obturadores ajustables colocados alrededor de las toberas de combustible, Fig. 8-1. La aspiración hacia la cámara puede ser natural (por efecto de la chimenea) o inducida por un ventilador de aspiración (extractor). El mezclado de combustible y aire puede ser deficiente, y quizás no exista control de la relación combustible - aire. El retroajuste para inyectar aire de combustión precalentado es difícil. 

Obsturador de aire

Aire

Presión negativa en la cámara de combustión

Combustible

FIG. 8-1. QUEMADOR ABIERTO DE TIRO NATURAL .

Quemadores sellados mecánicamente. No tienen entradas intencionales de aire libre alrededor de la tobera, ni entradas de aire en forma de persiana en la pared de la cámara de combustión. Todo el flujo de entrada de aire comúnmente es controlado por un ventilador de inyección (ventilador de tiro forzado) que impulsa el aire a través de tubos o de una caja de aire. Estos quemadores suelen tener una mayor caída de presión de aire en la tobera, de modo que las velocidades del aire son mayores y por tanto son mejores el mezclado y el control de la configuración de la flama. Como es posible medir el flujo de aire, resulta fácil el control automático de la relación aire – combustible. 

64




Quemadores de caja de aire. Constan de un atomizador largo y un inyector o anillo de gas. Son comunes en calderas y calentadores de aire, en los que por razones económicas los grandes volúmenes de aire requeridos son suministrados a muy baja presión (2 a 10 pulg H2O). Es necesario tomar precauciones para evitar el flujo inverso del combustible hacia la caja de aire, Fig. 8-2. 

Aire

Petróleo Gas

FIG. 8-2. QUEMADOR DE CAJA DE AIRE.

Quemadores integrados. Consiste en elementos atornillados y dispuestos con un ventilador y quizás controles también integrados. Se usan ampliamente en instalaciones nuevas y de retroajuste, Fig. 8-3. 

Petróleo

Aire

Gas

FIG. 8-3. QUEMADOR INTEGRADO. 

Sistema de quemador con premezclado.

Pueden encontrarse en cualquiera de las configuraciones anteriores. Gas y aire se mezclan completamente corriente arriba de la tobera. Los pequeños quemadores industriales de paso múltiple de este tipo facilitan la dispersión de una pequeña cantidad de calor sobre un área extensa, por ejemplo, cubas, rodillos, calderas pequeñas y placas móviles, y para el procesamiento a baja temperatura de productos movilizados por transportador, Fig. 8-4. Los quemadores con premezclado han sido sustituidos por quemadores con mezclado por tobera.

Gas Aireprimario

Airesecundario

FIG. 8-4. QUEMADOR DE PREMEZCLADO CON INYECTOR .


65



Es posible controlar mejor la relación combustible - aire con el uso de mezcladores aspiradores (la inyección de aire aporta la energía necesaria para atraer la proporción adecuada de gas), Fig. 8-5. Muchas unidades pequeñas tienen sopladores de tamaño menor que el necesario, en virtud de que en el horno se obtiene aire secundario por aspiración. El aumento en los costos de los combustibles hace económicamente impráctico el uso de exceso de aire en tales configuraciones. Gas

Aireal100%

FIG. 8-5. QUEMADOR DE PREMEZCLADO CON ASPIRADOR.

Sistema de quemador con mezclado en tobera.



En este dispositivo se mezclan gas y aire al entrar a la cámara de combustión por la boquilla de la flama, Fig. 8-6. Tales sistemas permiten el uso de una amplia variedad de relaciones combustible - aire, formas de flama y combustibles. Para procesos que requieren ambientes especiales, pueden operar con mezclas muy ricas (exceso de combustible de 50%) o muy pobres (exceso de aire de 1500%). Aire

Gas

FIG. 8-6. QUEMADOR CON MEZCLADO EN TOBERA CONTROLADO POR AIRE .

Pueden construirse de modo que las velocidades sean muy grandes, para mejorar aún más la transferencia de calor por convección, la Fig. 8-7 muestra un quemador de alta velocidad. Aire

Gas

FIG. 8-7. QUEMADOR DE ALTA VELOCIDAD.

En otros se usan efectos centrífugos y de otra clase para hacer que la flama siga el contorno de una pared refractaria adyacente, y así mejorar la radiación por las paredes, Fig. 8-8.

66




Aireen remolino

Gas

FIG. 8-8. QUEMADOR DE RADIACIÓN PARA PARED.

Quemadores con mezcla de acción retardada. Tienen una forma especial de mezclado en tobera intencionalmente lento (un soplete de gas rudimentario presenta una forma no intencional de mezclado retardado). La ignición de un combustible en presencia de aire escaso da por resultado polimerización o pirolisis, que produce apenas algunos micrómetros de diámetro. Estos sólidos presentes en la flama absorben calor y producen luminiscencia inmediatamente, haciendo que una llama de mezcla de acción retardada sea amarilla o anaranjada. El aumento de la luminosidad mejora la transferencia de calor por radiación de la flama, lo cual es una de las razones de emplear llamas de acción retardada. La otra razón es que este efecto permite ampliar la distancia a la que se libera calor para obtener calentamiento uniforme en toda la longitud de un tubo de radiación, un horno largo de secar o un horno que solo puede ser fogueado por un extremo.  Quemadores controlados por combustible. En la mayor parte de los quemadores para procesos industriales tradicionalmente se ha usado la energía de la corriente de aire para conservar la estabilidad y forma de la flama. Por lo general, si se tiene acceso a suministros de combustibles de presión alta, es lógico emplear la energía de la corriente de combustible para controlar la estabilidad y la forma de la flama, de modo que sea posible utilizar fuentes de aire de presión baja. En la Fig. 8-9 se presenta un quemador controlado por combustible. La disponibilidad de múltiples conductos de entrada y posiciones de puerta de salida permite modificar el patrón de la flama durante el funcionamiento para una transferencia de calor óptima. Es posible construir, de manera similar, quemadores de combinación para dos combustibles, empleando atomizadores de dos fluidos con aire comprimido o vapor como medio de atomización. 


67



Piloto Aislamiento Sensor UV

Entradade gaspara flamalarga Tubode gas

Entradade gasparaflamacorta

Entradade airecaliente

FIG. 8-9. QUEMADOR DE GAS CONTROLADO POR COMBUSTIBLE PARA USO DE AIRE PRECALENTADO.

Quemadores tipo anillo gas. El tipo de quemador anillo-gas, mostrado en la Fig. 8-10 está equipada con un registro ajustable usado para regular la cantidad de aire, controlar su velocidad e impartir rotación a la columna de aire fluyendo a través de la abertura del quemador. Un anillo de gas, en la forma de un distribuidor anular, localizado entre el registro de aire y la pared del horno (o piso), rodea la abertura del quemador. Una serie de orificios alrededor de la superficie interior de este anillo, rocía el gas angularmente, en la forma de una mampara, transversal a la corriente de aire y hacia el centro de la abertura del quemador. La mezcla uniforme resultante del gas-aire entra al horno a través de una abertura en forma de garganta curvada, donde la mezcla se quema con una flama corta y transparente. Los productos de combustión son bien difundidos a través del horno. Los quemadores de este tipo pueden operarse con excesos de aire tan bajos como 7%. 

68




FIG. 8-10. QUEMADOR DE GAS TIPO ANILLO -GAS.

Quemadores tipo turbina. El quemador tipo de turbina usa un distribuidor giratorio con orificios en vez de un distribuidor fijo, el cual distribuye el gas transversalmente a la corriente de aire mientras rota a alta velocidad, Fig. 8-11. Con este diseño, la energía en el gas en forma de presión es utilizada para funcionar el mezclado mecánico del gas con el aire para la combustión. 

FIG. 8-11. QUEMADOR DE GAS TIPO TURBINA .

8.2.2

Quemadores aceite –gas.

Los quemadores de combinación (aceite-gas) resultan de adaptar cañones de aceite a los diferentes tipos de quemadores de gas.


69



El quemador de gas tipo anillo-gas ilustrado en la Fig. 8-10, es arreglado para quemar simultáneamente combustible líquido. Se localiza en el centro del quemador un cañón de aceite ensamblado, constituido por una boquilla para aceite de atomización mecánica y un tubo difusor, al cual se le adapta el plato difusor. El cañón para aceite es insertado en el tubo difusor en una posición tal que su boquilla de rocío acciona justamente enfrente de la abertura central del plato difusor. Este difusor es usado con atomización mecánica para prevenir que el rocío y la flama sean alejadas de la boquilla de atomización y también para causar el primer mezclado del aceite combustible con el aire. Cuando se quema aceite, el ensamble completo del cañón para aceite es movido hacia adelante a un punto donde la flama aun deje un claro suficiente con respecto a la curva de refractario de la garganta, evitando así el contacto así el contacto con flama. Cuando se queme aceite y gas simultáneamente, el cañón permanece en su oposición adelantada. Cuando solamente se queme gas, el cañón se retira a una posición detrás del anillo de gas. El plato difusor se omite cuando el vapor de atomización se sustituye por atomización mecánica. El quemador de gas del tipo tubo de difusión-centro; se adapta para el funcionamiento combinado, ya sea para atomización mecánica o con vapor, insertando un cañón para aceite totalmente ensamblado a través de una camisa interna dentro del tubo de gas. Pueden quemarse separadas o simultáneamente ambos combustibles. Cuando se opere solamente con gas, el cañón de aceite es parcialmente retirado, para proteger la boquilla de atomización. Este tipo de quemador de aceite abandone la boquilla en la misma forma que el gas. Para adoptar el quemador de gas tipo turbina para uso alternado de gas y aceite, el diseño se modifica alargando un tubo concéntrico interno a través del eje motor del cono. Adentro de este tubo, existe un tubo estacionario permanentemente fijo a través del cual el cañón de aceite es insertado.

8.2.3

Quemadores de bajas emisiones de NOx.

Las emisiones de NOx se regulan debido a los efectos adversos que tienen sobre la salud y el medio ambiente. Como se mencionó con anterioridad, los NOx juegan un papel muy importante en la formación de la lluvia ácida, en la formación de ozono en las capas bajas de la atmósfera y se sospecha que algunos tipos de óxidos de nitrógeno toman parte en el deterioro de la capa de ozono en la alta atmósfera. Se han identificado dos mecanismos a través de los cuales se generan dichos óxidos:

NOx Térmico. Este mecanismo de producción es una fuente principal de NOx provenientes de la combustión. La producción de NOx por este mecanismo puede ir desde unas cuantas partes por millón hasta varios miles dependiendo de las condiciones. El esquema de reacción es el siguiente: 

O



N2

 NO



N

N



O2

 NO



O

N



OH  NO



H

Este mecanismo de producción de NOx se inicia con átomos de O y éstos prevalecen en las zonas de alta temperatura de la flama por lo que el NOx térmico se produce con mayor rapidez en las zonas de flama con temperatura pico. De hecho, la producción de los NOx térmicos, se incrementan exponencialmente con la temperatura de la flama y el método para controlarlos es principalmente controlando la temperatura pico de la flama.

70




"Prompt" NOx. El "PROMPT" NOx es una forma indirecta de oxidar N 2 y las emisiones generadas por este mecanismo son mucho menores que las generadas por el mecanismo térmico. Sin embargo a medida que se han ido disminuyendo las emisiones de NOx térmico la contribución de este se vuelve más importante. El PROMPT NOx se produce principalmente en las zonas de la flama ricas en combustible. Se forma por medio de una secuencia de reacciones que se inician con radicales hidrocarburos y N 2. Estos radicales se forman durante la combustión de cualquier hidrocarburo. Las reacciones típicas son: 

N2 N2

CH  HCN

 

C  CN

 

N N

El HCN y CN formados en estas reacciones se pueden convertir a NCO, NH, y después a N. Finalmente el N puede reaccionar para formar NO.  NOx producido por el combustible. Algunos combustibles tales como los aceites contienen moléculas con enlace orgánico con el nitrógeno. El combustóleo contiene en México de 0.2 a 0.43% de nitrógeno en liga orgánica; incluso algunos gases de refinería contienen algunos compuestos tales como NH 3, HCN y arrastre de aminas generadoras de NOx. A medida que los combustibles pesados se calientan en la flama se descomponen, y dependiendo de la naturaleza de los enlaces químicos, el nitrógeno típicamente es liberado en forma de HCN o NH, compuestos que finalmente derivan en la formación de NOx. Los factores más importantes que determinan la cantidad de óxidos de nitrógeno producidos por el tipo de combustible quemado son: el contenido de nitrógeno en liga orgánica en el combustible y la estequeometría en la zona de la flama donde se libera el nitrógeno. Aunque generalmente no se puede hacer nada para afectar el nivel de nitrógeno en el combustible, si es posible optimizar la estequeometría de la flama.

8.2.4

Reducción de NOx.

Se han desarrollado dos tecnologías que permiten la reducción de NOx.

Quemadores por etapas de aire. El quemador por etapas de aire marca John Zink es la mejor tecnología existente en la actualidad cuando se requiere quemar en combinación una combustible líquida y un gas. El quemador está diseñado para inyectar el aire de combustión en etapas generando dos zonas de combustión; la primaria donde se lleva a cabo una reacción subestequeométrica que limita la formación de óxidos de nitrógeno por el contenido de N en el combustible, y por otro lado la zona de combustión secundaria que mezcla los productos de combustión provenientes de la zona primaria con aire terciaria o en etapa. Esto disminuye la temperatura pico de la flama limitado la formación de óxidos de nitrógeno "térmicos". 


71



FIG. 8-12. QUEMADOR DE BAJA EMISIÓN DE NOX. 

Quemadores por etapas de combustible.

En este tipo de quemador, se mezcla una porción del combustible y todo el aire de combustión en la zona primaria de combustión. Se logra una combustión muy rápida en esta atmósfera de alto exceso de aire. El exceso de aire tan alto reduce considerablemente la temperatura pico de la flama de la zona primaria. Debido a la reducción en la temperatura pico de la flama, se reduce considerablemente los NOx en la zona primaria. El combustible restante es alimentado a través de varias boquillas perimetrales que por su velocidad de operación arrastran a los productos de la zona primaria de combustión a la secundaria. Al entrar los productos de la reacción a la segunda etapa reducen la temperatura de la combustión y reducen la presión parcial del oxígeno en la reacción retardando la formación de óxidos de nitrógeno. Este quemador es más efectivo en la reducción de NOx sin embargo hasta ahora solo es aplicable a gases combustibles, no maneja combustibles líquidos.

FIG. 8-13. QUEMADORES DE BAJA EMISIÓN DE NOX CON SISTEMA DE CONTROL DE A IRE.

72




A continuación se muestra una gráfica que compara las emisiones de NOx de un quemador por etapas de aire, por etapas de combustible y estándar. 200 180 ) 2 160 O e d 140 % 3 a 120 s a d i g 100 e r r o c 80 ( x O N 60 m p p 40

QUEMADOR POR ETAPAS DE COMBUSTIBLE QUEMADOR POR ETAPAS DE AIRE QUEMADOR ESTANDAR

20 0 0

50

100

150

200

250

300

350

Tempe ratura del a ire de combustión (°C)

FIG. 8-14. CONCENTRACIÓN DE NOX EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA, PARA 3 TIPOS DE QUEMADORES DE GAS COMBUSTIBLE CON 10% DE EXCESO DE AIRE.

8.3 Sistema de anticontaminación ambiental. Actualmente se han estado desarrollando tecnologías de anticontaminación ambiental, con el objetivo de cumplir con las regulaciones ambientales en materia de emisión de contaminantes a la atmósfera, tal es el caso de los sistemas que se describen a continuación.

8.3.1 

Sistema de quemado. Principales factores del sistema de quemado.  Combustión completa de combustible.  Largo tiempo de residencia en Horno.  Mezcla rápida entre combustible y oxígeno. 

Alta temperatura del Horno.


73





Bajas emisiones. 

Baja temperatura de flama ( NOx).



Mezcla rápida de combustible y oxígeno (CO, Partículas).



Alta temperatura en Horno (CO, Partículas).

Largo tiempo de residencia en Horno (CO, Partículas). Características del quemado tangencial 





Concepto de una sola flama.



Aire y combustible se inyectan de 4 esquinas del horno hacía tangentes del círculo imaginario en el centro del horno.



Horno, funciona como un quemador.



Flujos de aire/combustible de 4 esquinas promueven la formación de un vórtice en el centro del horno creando un alto grado de turbulencia para lograr mezcla efectiva.



Arreglo vertical de boquillas de combustible y aire provee una gran flexibilidad para aplicaciones de combustibles múltiples.



Sistema de quemado tangencial produce más baja emisión de NOx que el quemado frontal debido a bajo exceso de aire y baja temperatura de flama.



Absorción de calor uniforme entre paredes del horno evitando puntos calientes.

FIG. 8-15. QUEMADO TANGENCIAL.

8.3.2 

74

Sistema de reducción de SOx y partículas. Sistema de desulfurización de gases.  La tecnología existente en desulfurización de gases se clasifica en la manera siguiente de acuerdo con el estado de desechos. Tipo húmedo. Los desechos salen en forma de lodo, por lo que se requiere secarse o separarse entre sólidos y el agua de desecho. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 ©



Tipo seco. Los desechos salen en estado seco y no se requiere ni secado ni separación. De acuerdo con el reactivo usado para desulfurización y el subproducto que se genera, el sistema de desulfurización se clasifica en los siguientes métodos: TABLA 8-1. MÉTODOS DEL EL SISTEMA DE DESULFURIZACIÓN. Tipo

Método

Reactivo

Productos

Húmedo

Sosa cáustica

Sosa cáustica

Sulfato de sodio (liquido)

Húmedo

Piedra caliza

Piedra caliza pulverizada

Yeso (sólido)

Húmedo

Agua de mar

Agua de mar

Agua con sulfatos

Seco

Cal

Cal mezclada con el agua

Mezcla de sulfitos de calcio (CaSO3) y carbón noquemado

FIG. 8-16. SISTEMA DE LAVADO CON SOSA CÁUSTICA.


75



FIG. 8-17. SISTEMA DE LAVADO DE GAS CON CARBONATO DE CALCIO.

FIG. 8-18. SISTEMA DE LAVADO DE GASES CON AGUA DE MAR.

76




FIG. 8-19. SISTEMA DE LAVADOR DE GAS CON CAL .


77



9 TIRO.

Se define como tiro, la presión requerida para hacer circular al aire y los gases de combustión a través del calentador. El tiro efectivo es la energía neta de presión que se tiene en un punto determinado ya habiendo considerado las pérdidas. El tiro es muy importante, porque su control facilita la regulación del exceso de aire requerido, y garantiza la seguridad del personal, sin derrochar combustible.

9.1 Tiro natural. El tiro natural disponible en una chimenea es igual a la diferencia en peso de una columna de aire frío del exterior y una columna de gases calientes en la chimenea, menos las pérdidas debido a fricciones internas y las pérdidas debido a la aceleración de los gases. Las variaciones meteorológicas, las condiciones de funcionamiento de la cámara de combustión y la altura de la chimenea tienen una marcada influencia sobre el valor del tiro creado por una chimenea determinada. En la Fig. 9-1 se observa el perfil del tiro de un calentador a fuego directo con tiro natural, comparando los valores de un tiro malo de los de un tiro bueno o correcto.


79



PUENTE DEL CALENTADOR

O L A M

-0.5

-0.4

-0.3

O N E U B

-0.2

O L A M

-0.1

P +0.1 Atm.

+0.2

TIRO (Pulg. de agua)

FIG. 9-1. PERFIL DEL TIRO DE UN CAFD DE TIRO NATURAL.

9.1.1

Control del tiro de un CAFD de tiro natural del calentador.

Cuando los calentadores queman gas combustible deben manejar como máximo 20% de exceso de aire y con combustóleo 3%; debe de controlarse el tiro en el puente del calentador entre 1.27 a 2. 54 mm H 2O (0.05 a 0.1 pulgadas de agua) con objeto de mantener ligeramente a presión negativa el hogar del calentador y no causar excesivo alargamiento de las flamas. Para lo anterior es necesario contar con la instrumentación para medir el tiro (localizada en el piso del calentador, en el puente del calentador y en la salida de la zona de convección), así como contar una total funcionalidad del regulador de tiro (damper) y también debe haberse calculado el perfil de tiro del calentador en cuestión.

80




9.2 Tiro forzado. Este se obtiene “soplando” el aire necesario para la combustión bajo presión positiva por medio de un ventilador de

tiro forzado. En calentadores debe notarse que, aun cuando el aire es suministrado a presión positiva, la cámara de combustión y todas las partes de éste se mantienen a presión negativa y el gas producto de la combustión es removido por el efecto de la chimenea sobre los gases de combustión. En la Fig. 9-2 se muestra el esquema de un calentador a fuego directo con tiro forzado.

Calentador

Aire para la combustión

Ventilador de Tiro forzado

FIG. 9-2. CALENTADOR DE TORO FORZADO .

9.3 Tiro inducido. Se obtiene succionando los gases de combustión por medio de un ventilador de tiro inducido. Este sistema ayuda a incrementar el vacío en la cámara de combustión del calentador, y los gases de combustión son eliminados por medio de un ventilador que los descarga a la chimenea para enviarlos a la atmósfera, Fig. 9-3. En algunos casos la chimenea se encuentra soportada por el mismo calentador; se encuentra sobre el calentador.


81



Gases de combustión

Chimenea

Calentador Ventilador de Tiro inducido

FIG. 9-3. CALENTADOR DE TIRO INDUCIDO.

9.4 Tiro balanceado. En este caso, se usa un ventilador de tiro forzado para suministrar el aire necesario para la combustión, bajo presión positiva, y un ventilador de tiro inducido (extractor) para mantener la cámara de combustión a una presión negativa y desalojar los gases producto de la combustión hacia la chimenea, para que de ahí salgan hacia la atmósfera. Gases de combustión

Chimenea

Calentador

Aire para la combustión

Ventilador de Tiro inducido


FIG. 9-4. CALENTADOR DE TIRO BALANCEADO.

82




10 ECONOMIZADORES Y Y G GENERADORES D DE V VAPOR.

Los economizadores y los generadores de vapor en un CAFD, tienen la función de aprovechar el calor de los gases de combustión antes de que sean desalojados a la atmósfera, o de que entren al precalentador de aire en caso de que exista. El uso de estos equipos nació del hecho de que inicialmente los gases de combustion se desalojaban a la atmósfera a temperaturas de entre 371 y 538 °C (700 y 1000 °F) y la eficiencia de los equipos de combustión era demasiado baja. En las calderas, el agua de alimentación llegaba a temperaturas muy inferiores a la de saturación y se ofrecía la oportunidad de absorber gran parte de la energía de los gases de salida de la zona de generación de vapor, con un incremento sustancial en la eficiencia global del equipo manifestándose con una disminución en el consumo de combustible; por lo que al equipo adicionado se le llamo “economizador”.

En algunos calentadores a fuego directo se instalan bancos de tubos en la zona de convección cuya función es la de generar vapor o calentar agua; para evitar que se desperdicien grandes cantidades de energía con los gases desalojados a la atmósfera.

10.1 Características del área de transferencia. Los primeros economizadores que se instalaron fueron en las calderas; se construían con tubos de igual o mayor diámetro que los tubos de las calderas y se colocaban muy espaciados; para reducir la resistencia al flujo de los gases. Inicialmente se construían con tubos de acero al carbón, dada su resistencia a la corrosión tanto interna como externa, y con aletas en la parte externa de los tubos para proporcionar una superficie de transferencia extendida en el lado de los gases. El acero no se comenzó a emplear inicialmente por los problemas tanto de corrosión externa, provocados por la condensación de la humedad de los gases cuando el agua de alimentación entraba muy fría, como de corrosión interna provocados por el oxígeno disuelto en el agua. Actualmente los economizadores y bancos generadores de vapor se construyen en acero, gracias a las mejoras obtenidas en la eficiencia de las operaciones del tratamiento de agua, lográndose prácticamente la eliminación total del oxígeno disuelto, por otra parte, el agua de alimentación no se encuentra a temperatura demasiado baja, debido a que se precalienta o a que proviene de condensados calientes como pueden ser los que se obtienen de purgas intermedias de turbinas.


83



Los tubos de un economizador o generador de vapor pueden ser de superficie desnuda o extendida; los de superficie desnuda resultan más compactos. El área, espaciamiento entre tubos y el tipo y características de la superficie extendida dependen del tipo de combustible y de la caída de presión máxima permisible en el lado de los gases; todo esto en el marco de un análisis económico global de todo el equipo. Los tipos de superficie extendida utilizados se muestran en la Fig. 10-1.

FIG. 10-1. TIPOS DE TUBERÍA DE SUPERFICIE EXTENDIDA USADAS EN ECONOMIZADORES.

10.2 Requerimientos y limitaciones. En las calderas, cuando se van a quemar combustibles que generan cenizas y existe la posibilidad de que éstas se depositen sobre los tubos, el economizador se coloca directamente sobre una tolva de manera que los constituyentes solubles en agua, de los depósitos de ceniza, puedan ser lavados durante los períodos de paro. Adicionalmente al lavado, la superficie externa de los economizadores y/o generador de vapor puede limpiarse con el mismo tipo de equipo que se emplea para limpiar cualquier sección de convección. Los economizadores se diseñan con el espaciamiento entre tubos y profundidad de los bancos de tubos más convenientes para la limpieza externa con sopladores de hollín que utilizan aire o vapor, tomándose en cuenta factores como: características de las cenizas, temperatura del agua de alimentación, flujo de gases, tipo de superficie, etc. Cuando el agua de los gases condensa en los tubos de un economizador o generador de vapor, se puede presentar corrosión. Si los gases de combustión contienen compuestos de azufre (óxidos) la corrosión se acelerara. La velocidad de corrosión se incrementa conforme disminuye la temperatura del metal y el punto de roció, la velocidad potencial de corrosión se incrementan conforme aumenta el contenido de azufre en el combustible. Para evitar la condensación de la humedad de los gases de combustión y por consiguiente la corrosión, en cualquier equipo ya sea de intercambio de calor con los gases de combustión (economizador, precalentador de aire, etc.) o de manejo de los gases (ductos, ventiladores, chimenea), nunca se deberán enfriar los gases a temperaturas cercanas a su punto de rocío. Los economizadores también están sometidos a corrosión interna por el oxígeno disuelto en el agua y bajo pH. La corrosión por oxígeno puede evitarse eliminándolo en desaereadores. El agua de alimentación es desaereada por arriba de 100 °C para evitar infiltración de aire al sistema con los vapores que se generan a esa temperatura. El acero en el economizador es atacado más fácil por agua pura, que por agua que contenga una concentración ligeramente mayor de iones hidroxilo (ligeramente menos ácida). Es por esto necesario mantener un pH entre 8 y 9 en el agua de alimentación al economizador (pH = 7 es agua neutra o agua pura).

84




11 SISTEMAS D DE P PROTECCIÓN.

Debido al riesgo de incendio y/o explosión que se tiene en los calentadores al efectuarse en ellos una combustión y por manejarse en sus serpentines hidrocarburos (con riesgo de una posible rotura de tubos, etc.), se requiere conocer los sistemas de auxilio para combatir las emergencias que pudieran presentarse y que son fundamentales para la seguridad del personal y de los equipos de las plantas.

11.1 Vapor de barrido. El calentador cuenta con varias conexiones de este vapor que descargan en la zona de radiación, con el fin de eliminarle cualquier acumulación de gas que represente una atmósfera explosiva y se active al encender los pilotos o quemadores. Este vapor se utiliza indistintamente antes del arranque del calentador, inclusive si el calentador sufrió un paro momentáneo, por muy corto que sea, se debe barrer con este vapor el calentador. Uno de los usos más críticos del vapor de barrido es cuando se produce algún incendio en el calentador (generalmente por rotura de tubos) ya que deberá de suministrarse inmediatamente para sofocar el fuego; es decir, evitar que entre aire al hogar que facilite el incendio. Para la protección del personal y del equipo, desde el diseño se estima el tiempo necesario para que el vapor inunde todo el volumen del calentador y no perjudique ni al equipo ni al personal; es necesario detectar lo más rápido posible el siniestro para disminuir los problemas que pueda generar.

11.2 Cortinas de vapor. Las cortinas de vapor son instalaciones de líneas de vapor que rodean todo el perímetro del calentador. Su función fundamental es diluir cualquier cantidad de vapores de combustible que fuguen por las conexiones del suministro de gas combustible o por vapores formados por el derrame de combustóleo. Su operación se realiza solo cuando se detecten vapores de hidrocarburos en el ambiente.

11.3 Alarmas. En todos los calentadores se implementan alarmas para detectar desviaciones anormales de las diferentes variables en la operación segura de los equipos, tanto para su protección misma como del personal. Se deberá consultar el manual de operación de cada equipo para corregir la posible falla o desviación de la variable que active la alarma. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 ©

85



Las desviaciones de las variables y que generalmente activan una alarma en un calentador son bajo flujo de la corriente de proceso, altas temperaturas en las zonas más importantes del calentador, baja presión de combustible, entre otras.

11.4 Disparos. Para la protección de los calentadores y evitar riesgos al personal, se determinan valores críticos de operación de los equipos y con estos sistemas de protección que los sacan de operación mediante un disparo actuado por la desviación crítica de las variables. Los puntos de disparo se seleccionan para garantizar que no habrá alguna operación insegura, es decir será preferible parar al equipo antes de caer en riesgos que pongan en peligro tanto a los equipos como al personal. Algunas de las variables que activan una alarma, también activan los disparos.

86




12 SISTEMAS D DE P PRECALENTAMIENTO D DE A AIRE.

Un sistema de precalentamiento de aire consta básicamente de los equipos que se muestran en las Figs. 14. A y 14. B; que representan calentadores a fuego directo. Sin embargo, los sistemas de precalentamiento de aire pueden ser aplicados a cualquier equipo con combustión. En ambas figuras, los gases son extraídos de un punto de alta temperatura y se hacen pasar al precalentador donde ceden calor al aire, antes de ser desechados por la chimenea. Dependiendo del tipo de combustibles que se estén quemando, a lo largo de los ductos de gases se pueden instalar separadores de polvos, colectores de polvos, filtros, etc., con el fin de cumplir con las normas ambientales y proteger al precalentador de aire contra la erosión. Para evitar que la temperatura de los gases de combustión dentro del precalentador descienda hasta su punto de rocío, antes de que circule a través del precalentador, se precalienta el aire con vapor de agua, con lo que se logra que la temperatura promedio del lado frío del precalentador esté dentro de los intervalos recomendados por el fabricante, evitando así problemas de corrosión por formación de H2SO4. Es de esperarse que, en los casos en los que no se pueda obtener una alta temperatura del aire precalentado, no sea necesario instalar el precalentador primario. El mejor arreglo de sistemas de precalentamiento de aire es aquel que cumple con las características del proceso, las condiciones de espacio y los aspectos económicos.

12.1 Principales tipo de precalentadores. Se tienen básicamente dos tipos de precalentadores de aire dependiendo de su principio de operación.

RECUPERATIVOS. En los cuales el calor es transferido desde los gases calientes hacia el aire a través de una pared.  REGENERATIVOS. El calor es transferido indirectamente de los gases calientes al aire a través de un medio que almacene calor. En la Fig. 12-1 y Fig. 12-2 se ilustra las partes de dos tipos de calentadores a fuego directo con sistema de precalentamiento de aire. 


87



10 1. Filtro de aire 2. Ventilador de tiro forzado 3. Precalentador primario de aire 4. Ductos de aire 5. Precalentador de aire 6. Caja de aire 7. Zona de radiación del calentador 8. Ductos de gases de combustión 9. Ventilador de tiro inducido 10. Chimenea

8 8 9

7

1

5 4 6

3

4 2

FIG. 12-1. SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO DE AIRE PARA UN CAFD CON CHIMENEA AUTOSOPORTADA . 1. Entrada de aire fresco. 2. Ventilador de tiro forzado. 3. Precalentador aire-gases de combustión. 4. Ducto de desvío de aire. 5. Caja para aire precalentado. 6. Quemador. 7. Sección de radiación. 8. Sección de convección. 9. Mampara para gases de combustión. 10. Chimenea. 11. Ducto de gases a precalentador. 12. Ventilador de tiro inducido. 13. Ducto de gases a chimenea.

FIG. 12-2. SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO DE AIRE EN UN CAFD CILÍNDRICO VERTICAL.

Las Fig. 12-3, Fig. 12-4 y Fig. 12-5 muestran tres tipos de calentadores a fuego directo con sistemas de precalentamiento de aire, mismos que se especifican en el anexo B de la NRF-089-PEMEX-2004.

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Chimenea separada (alternativa)


Calentador


Aire Precalentador

de aire


FIG. 12-3. SISTEMA PRECALENTADOR DE AIRE USANDO UNIDAD DE INTERCAMBIADOR DE CALOR REGENERATIVO/RECUPERATIVO (FIG. 2, NRF-089-PEMEX-2004).

Corriente de proceso o servicio

Calentador

Aire Precalentador

de aire


FIG. 12-4. FUENTE DE CALENTAMIENTO EXTERNO PARA PRECALENTAMIENTO DE A IRE (FIG. 3, NRF-089-PEMEX-2004).


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Medio de calentamiento

Calentador

Bomba

Aire Precalentador

de aire


FIG. 12-5. SISTEMA USANDO UN PRECALENTAMIENTO DE AIRE INDIRECTO CERRADO CON CIRCULACIÓN MECÁNICA (FIG. 4, NRF-089PEMEX-2004).

La elección del tipo y tamaño de precalentador dependerá de factores tanto económicos como técnicos. Los factores económicos incluyen los costos de inversión, mantenimiento, costo de la potencia extra requerida por el ventilador y costos de operación. Los factores de ingeniaría incluyen la temperatura requerida para el aire de combustión, así como la confiabilidad del equipo y la disponibilidad de espacio para su instalación.

90




13 AISLANTES Y Y R REFRACTARIOS.

El sistema de aislamiento térmico se diseña especialmente para ofrecer una alta resistencia a la transferencia de calor. Existen tres razones fundamentales que justifican el uso de sistemas de aislamiento térmico en instalaciones industriales: Seguridad industrial, Condiciones del proceso y Económicas.

Seguridad industrial. En los CAFD se manejan altas temperarturas con las que se tiene el riesgo potencial de provocar quemaduras serias si se llega a tener contacto con las partes calientes, el aislamiento ayuda a proteger al personal para que no tenga contacto directo con las partea a alta temperatura. Condiciones de proceso. Las funciones principal de los CAFD es proporcionar altas temperatura en el proceso, ya que de eso puede depender la calidad del producto, el grado de conversión de una reacción, evitar reacciones secundarias indeseables, la reversibilidad de una reacción, o la degradación de algún producto; situaciones que hace indispensable un sistema de aislamiento térmico que garantice mantener el sistema sin pérdidas de calor. Económicas. Debido a que el combustible, como principal energético, era barato hasta hace pocos años, este renglón tuvo poca importancia para la especificación de los aislantes. Actualmente el aumento en el precio del petróleo en el mercado internacional, su desarrollo tecnológico, como energético o como materia prima para una infinidad de productos, y su condición de recurso no renovable; resaltan la importancia que se le da a esta tercera razón.

13.1 Aislantes. Un sistema de aislamiento está constituido básicamente por el material aislante, sus accesorios de sujeción y cubierta de protección.

Un aislante es un material de muy baja conductividad térmica. Existe una relación de esta propiedad con la densidad, básicamente debido a la porosidad del material y tamaño de los poros existe un punto a partir del cual las dimensiones del poro y su conexión con poros próximos dan lugar a movimientos convectivos, que elevan la transferencia de calor a través del aislante.


91



13.1.1 Características de un aislante. Debido a las características del servicio que van a prestar los materiales aislantes, es necesario conjugar su baja conductividad térmica con otras propiedades que le permitan dar un buen servicio por largo tiempo, sin causar problemas secundarios ni crear riesgos industriales de otra índole. Se puede agrupar estas características como factores de selección de un material aislante como sigue:

13.1.2 Factores de selección de un aislante. 

Conductividad térmica.



Densidad.



Comportamiento de abuso mecánico.



Estabilidad dimensional.



Combustibilidad (y desprendimiento de gases tóxicos).



Propiciación de microorganismos.



Corrosividad.



Temperatura límite de trabajo.



Forma de manejo, almacenaje y colocación.

Es importante considerar estos factores tanto por el tipo de servicio y ambiente predominante como por el tipo de acabado adecuado para dar protección al aislante. Un aislante es realmente un soporte mecánico en el que se tienen pequeñas celdas de aire o gas, siendo necesario. Para su conformación en algunos casos, el uso de aglutinantes que le den consistencia y una cierta resistencia al abuso mecánico. Se fabrican rígidos, semirígidos y flexibles; el material aglutinante limita su aplicación, sin embargo es posible llegar hasta una temperatura de operación de 982.2 °C (1800 ºF). A temperaturas superiores a 982.2 °C los materiales aislantes son inoperantes y la solución del problema corresponde al terreno de los materiales refractarios, los cuales deben ser química y físicamente estables a altas temperaturas y resistentes a la presión, al ataque químico y a cambios bruscos de temperatura. Asimismo deberán ser resistentes a la excoriación, escarificación, abrasión y deformación, con alto punto de fusión y baja conductividad térmica. Sus características, por lo tanto, los hacen materiales necesariamente más densos y por lo mismo menos aislantes y su función refractaria se suma a las demás características mencionadas.

13.1.3 Clasificación por rangos de aplicación. Dependiendo de las temperaturas de servicio, los aislantes se clasifican en tres grupos: sistemas de alta temperatura (calientes), de 95 ºF (35 °C) hacia arriba; sistemas de baja temperatura de 68 ºF (20 °C) a –40 ºF ( –40 °C) y sistemas criogénicos de –40 ºF ( –40 °C) hacia abajo.

92




Los aislantes calientes, pueden a su vez subdividirse como sigue: 

Primer rango: baja temperatura, de 95 a 450 °F (35 a 232.2 °C)



Segundo rango: media temperatura, de 450 a 900 °F (232.2 a 482.2 °C)



Tercer rango: alta temperatura, de 900 a 1800 °F (482.2 a 982.2 °C)

Siendo realmente clasificaciones arbitrarias ya que no es posible definir exactamente fronteras de aplicación o de instalación o por accesorios requeridos.

13.1.4 Clasificación por características físicas. De acuerdo con sus características físicas, los aislantes pueden clasificarse como sigue: 



Granulares: 1. Silicato de calcio 2.

Perlita expandida aglutinada con silicato de sodio o con material cerámico.

3.

Vermiculita exfoliada.

4.

Aglutinado de tierras diatomáceas con silicato de sodio.

5.

Loose-fill de perlita.

Fibrosos: 1. Fibra de vidrio. 2. Lana mineral. 3. Fibra de asbesto.



Espumosos: 1. Poliestireno. 2. Poliuretano. 3. Foamglass (vidrio celular). 4.



Monolíticos: 1. Cementos de unión y acabados. 2.



Espumas de PVC.

Mastiques.

Reflectivos: 1. Paredes pulidas metálicas de alta


superficie.

93



13.1.5 Acabados. La función básica de los acabados es la de dar protección al aislante contra las siguientes razones: 1.

Intemperie (nieve, lluvia, humedad, viento).

2.

Abuso mecánico y abrasión.

3.

Paso del vapor de agua (tuberías cercanas a torres de enfriamiento), (cortinas de vapor en CAFD a fuga de combustible).

4.

Radiación solar ultravioleta e infrarroja.

5.

Gases, humos y substancias químicas (fugas en tuberías, gases de chimeneas, etc.)

6.

Fuego (siniestros).

Además de que tenga una vida útil considerable y que sea de fácil instalación. Es importante considerar el tipo de protección que requiere el aislante y el tipo de ataque que puede recibir para poder seleccionar el acabado adecuado. Los acabados se pueden clasificar en 2 grandes grupos: Metálicos y no metálicos, presentando en cada uno las opciones de protección enlistadas y re requiriendo en algunos casos la combinación de los dos tipos o el auxilio de los metálicos cuando se seleccionó el acabado metálico. A continuación se enlistan los tipos de acabado que se pueden utilizar: 

Metálicos: a. Lámina negra pintada. b. Lámina galvanizada. c. Lámina de aluminio. d. Acero inoxidable.



Plásticos. a. Emulsión asfáltica. b. Climastic-mastic. c. Lactone. d. Monolar, etc.,



Otros. a. Manta pintada de aluminio (En lugares no expuestos a abuso mecánico).

13.2 Refractarios. Las principales ventajas en el uso de refractarios en los CAFD son: 1.

Economía en el combustible, debido a la menor pérdida de calor y a la mayor capacidad de retención de calor de los refractarios aislantes.

94




2.

Disminución del tamaño y peso del revestimiento del horno debido al peso ligero de los mismos.

3.

Aumento de producción debido al menor tiempo de calentamiento.

4.

Mejor control de la operación debido a que las temperaturas se pueden controlar más fácilmente.

5.

Protección del personal contra las altas temperaturas que se tienen en el CAFD.

Uno de los refractarios más empleados por cumplir con las características adecuadas de acuerdo a los factores de selección mencionados son los concretos refractarios-aislantes y entre ellos el A.P. GREEN 55.

13.2.1 Curado del refractario. Curado húmedo y secado con aire. La superficie expuesta de los recubrimientos se debe mantener completamente húmeda durante el período de endurecimiento por medio de un esparcido ligero e intermitente con una fina llovizna de agua fría y limpia. El curado se debe iniciar tan pronto como la superficie del concreto esté lo suficientemente dura para permitir un rociado sin eliminar alguna cantidad de cemento. Esto puede determinarse frotando la superficie con un dedo humedecido; y hasta que el cemento no se adhiera al dedo, se puede iniciar el rociado. Esta verificación se puede hacer en intervalos de media hora hasta que la superficie esté lista. Las aplicaciones en tiempo de calor pueden requerir que el curado comience dentro de las 3 ó 4 horas después del colocado. El curado, una vez iniciado, se continúa por lo menos durante 24 horas, con intervalos de tiempo para rociado no mayores que una media hora. Después de las 24 horas del período de curado húmedo, debe esperar por lo menos 48 horas para emplea secado artificial. Se debe proveer la ventilación adecuada para permitir la salida de la humedad. Como una alternativa del rocío con agua, el curado se puede completar sellando las superficies con una membrana especialmente formulada para ello. Si se requiere alguna cavidad o abertura se debe hacer inmediatamente después del curado mientras las superficies están todavía húmedas. El mortero para la cavidad se debe hacer de las mismas proporciones de cemento y agregados que la aplicación original.

13.2.2 Secado posterior. El secado posterior o artificial se debe efectuar cuando menos 72 horas después del período de curado para recubrimientos húmedos. El secado se realiza de acuerdo a las instrucciones del fabricante, pero en general se sigue el siguiente procedimiento: 1.

Durante el período de secado, se debe circular vapor o aire por los serpentines del calentador, bajo control de temperatura, para evitar daños.


95



2.

Hay que hacer una instalación temporal de termopares. Es preferible usar combustible gaseoso pero si no se dispone de éste, se puede usar líquido pero libre de sedimentos y a las condiciones apropiadas para buena atomización y combustión limpia.

3.

Encender uno o más quemadores según se requiera, en cada cámara del calentador y calentando lentamente de modo que la temperatura indicada por los termopares se incremente de 25 a 50 ºF (14 a 28 °C) por hora hasta alcanzar 900 ºF (482.2 °C), manteniendo esta temperatura mínimo por un día.

4.

Mientras aumente la temperatura, la operación de los quemadores se controla a fin de distribuir el calor tan uniformemente como sea posible a través del refractario.

5.

Después del período de calentamiento, todos los quemadores se deben apagar y el refractario del calentador se enfría lentamente a una velocidad no mayor de 100 ºF/hr (37.8 °C/hr) conservando las puertas de entrada de aire y el regulador de tiro de la chimenea completamente cerrados.

6.

Después de que el secado se ha llevado a cabo, se quitan los termopares adicionales. Una vez que el refractario se ha secado, puede disminuirse la temperatura en la proporción deseada.

13.2.3 Pruebas de refractario. Se deben preparar por lo menos 3 cilindros de prueba normales, los cuales sean representativos de la calidad de la mezcla que se suministra. La prueba de materiales de refractarios nuevos será de acuerdo a la especificación ASTM –117271. Por lo menos 2 cilindros se deben probar por resistencia a la compresión después de 3 días. La resistencia mínima a la compresión es de 150 psi. Se deben guardar un cilindro y los datos de prueba a la compresión para permitir la inspección y para fines de registro. El peso unitario del refractario seco se registra como una parte de los datos de prueba.

13.2.4 Reparación. Cualquier parte del trabajo que se encuentre defectuosa debido a la presencia de huecos, rajaduras, curado insuficiente o daño en la construcción, se remueve totalmente el área mínima que se remueve es de 1 pies 2. El método de reparación y curado será lo más cercanamente posible al procedimiento original de la instalación.

96




GLOSARIO DEFINICIONES (Cap. 6, NRF-089-PEMEX-2004). Para los fines de la Norma de Referencia PÉMEX y de este manual se establecen las siguientes definiciones: Aire primario

Es la porción del total del aire de combustión que primeramente se mezcla con el combustible.

Aire secundario

Es la porción del total del aire de combustión que es suministrado para los productos de la combustión y el combustible no quemado después de la sección donde el combustible y el aire primario son mezclados.

Anclas para refractario

Un dispositivo metálico o refractario para sostener el recubrimiento aislante o refractario en su lugar.

Atomizador

Es un dispositivo usado para reducir un combustible líquido a una neblina fina. La atomización puede ser producida por vapor, aire o medios mecánicos.

Caída de presión del serpentín

Es la diferencia de la presión de entrada del serpentín y la presión de salida, sin considerar la carga estática.

Caja de cabezales

Un compartimiento estructural aislado internamente, separado de la corriente de gases de combustión, el cual es usado para cubrir retornos o cabezales de distribución. El acceso es proporcionado por medio de puertas articuladas o paneles removibles.

Caja de viento

Una cámara que circunda los quemadores y que es usada para distribuir el aire a los quemadores y/o reducir el ruido de la combustión.

Calentador de tiro balanceado

Utiliza un ventilador de tiro inducido para remover los gases de combustión y un ventilador de tiro forzado para suministrar el aire para la combustión.

Calentador de tiro forzado

Una unidad en la cual el aire para la combustión es suministrado por un ventilador u otro medio mecánico

Calentador de tiro inducido

Usa un ventilador para remover los gases de combustión y mantener la presión negativa en el calentador para inducir el aire para la combustión sin un ventilador de tiro forzado.

Calentador de tiro natural

Una unidad en la cual una chimenea produce el efecto de inducir el aire para la combustión y remover los gases de combustión.

Calor de absorción

El calor total absorbido por el serpentín excluyendo cualquier aire de combustión precalentado, expresado en MW.

Cara caliente del recubrimiento refractario

El recubrimiento refractario expuesto a las más altas temperaturas en un recubrimiento multicapas o multicomponentes.

Carga térmica

Es la cantidad de calor que puede absorber el fluido de proceso a su paso por el calentador.

Chimenea

Un conducto vertical usado para descargar los gases de combustión a la atmósfera.

Condiciones de operación (temperatura, presión, gasto del fluido de proceso, carga térmica, etc.)

Son las condiciones de proceso que están especificadas en las hojas de datos de calentadores a fuego directo y que indican los parámetros bajo los cuales estará operando normalmente el calentador durante su vida útil.

Conducto de gases

La sección del calentador donde los gases de combustión son colectados después del último serpentín de convección para transmitirlo a la chimenea o a los ductos de salida.


97



Aire primario

Es la porción del total del aire de combustión que primeramente se mezcla con el combustible.

Corrosión permisible

El espesor de material adicional para permitir pérdidas de material durante la vida de diseño de un componente. Es la relación de corrosión durante el tiempo de vida de diseño, expresado en milésimas de milímetro por año.

Decoquizado

Es el proceso que hace posible la eliminación del carbón adherido a las paredes interiores de los tubos y cabezales del calentador.

Deflector de gases

Una proyección de la superficie refractaria para prevenir que los gases de combustión se desvíen de los tubos de la sección de convección cuando están en un arreglo triangular.

Densidad de flujo térmico máximo

La máxima relación de transferencia de calor local en la sección del serpentín, expresado en kW/m2.

Densidad de flujo térmico promedio

El calor absorbido por la superficie de calentamiento expuesta de la sección del serpentín. La densidad de flujo promedio para un tubo con superficie extendida debe ser indicada sobre una base de tubo desnudo indicando la relación de extensión, expresado en kW/m2.

Ducto

Un conducto para aire o gases de combustión.

Eficiencia térmica

Se refiere al total de calor absorbido dividido por el total de calor suministrado, derivado de la combustión de un combustible (base poder calorífico inferior) más el calor total sensible del aire, combustible o cualquier medio de atomización, expresado como porcentaje.

Ensuciamiento permisible

Un factor para permitir que una capa de residuo incremente la caída de presión, normalmente una acumulación de coque y escoria, en la superficie interna de los tubos del serpentín, expresado en milímetros. Este valor se debe utilizar en el cálculo de la caída de presión en sucio.

Envolvente

Es la placa metálica usada para envolver el calentador a fuego directo.

Erosión

La reducción en el espesor de material, debido al ataque mecánico por un fluido.

Exceso de aire

La cantidad de aire arriba del requerimiento estequeométrico para completar la combustión, expresado como un porcentaje.

Fibra cerámica

Un refractario aislante fibroso compuesto primariamente de sílica y alúmina.


Los productos gaseosos de la combustión incluyendo el exceso de aire.

Guía de tubo

Accesorio utilizado en los tubos verticales para restringir el movimiento horizontal mientras permite expandirse axialmente al tubo.

Guillotina

Un dispositivo de una simple hoja que es usada para aislar equipos o calentadores.

Hoja de datos de calentadores a fuego directo

Son las hojas que contienen la información de operación y diseño de los calentadores a fuego directo.

Interconexión salteada

La tubería de interconexión de tubería entre una sección del serpentín.

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Manual 07 Calentadores a Fuego Directo

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