QUEMADORES Los quemadores quemadores son los dispositivos que permiten realizar la mezcla para la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada y regulable en toda la salida del quemador, asegurando la aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calorífica especificada, y distribuyendo la zona de reacción (llama) y la circulación de los productos de combustión combustión de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente posible todo el calor producido. Segn sea el combustible utilizado, los quemadores se clasifican en quemadores de combustible gaseoso, combustible líquido y combustible sólido. !n el caso de estos ltimos, si la aportación del sólido se realiza neumáticamente (carbón pulverizado, por e"emplo) e#iste cierta $omogeneidad con respecto al equipo utilizado para los otros combustibles% pero en otros casos, como el empleo de parrillas, por e"emplo, e#iste una diferenciación evidente. !n fin para entrar más en detalle, tenemos que conocer los tipos de quemadores que e#isten y estudiarl estudiarlos& os&
' Quemadores para combustibles gaseosos La combustión de gas aparentemente es la más sencilla pero en realidad es más difícil y peligrosa que los otros combustibles. na razón de lo anterior, es que la flama en muc$os tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla en el $orno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de fugas dentro del $orno, o prdida de fuego dentro del $orno, o por prdida de fuego dentro de los quemadores no lo $ace visible y por tal motivo no será notado por los operadores dando por consecuencia una e#plosión. Los quemadores de combustibles gaseosos son de varios tipos los cuales se citan a continuación& ' Quemadores abiertos de tiro natural: Se caracterizan por producir una presión negativa en la cámara de combustión que causa el tiro (o aspiración) del aire necesario, usualmente a travs de obturadores a"ustables colocados alrededor de las toberas de combustible. La aspiración $acia la cámara puede ser natural (por efecto de c$imenea) o inducida por un ventilador de aspiración (e#tractor) (e#tractor) (*igura + -). !l mezclado de combustible y aire puede ser deficiente, y quizás no e#ista control de la relación combustible a aire. !l retroa"uste para inyectar aire de combustión precalentado es difícil.
Figura Nº 20 Quemador Abierto de Tiro Natural
' Quemadores sellados mecánicos: +o 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.
/odo el flu"o de entrada de aire usualmente es controlado por un ventilador de inyección (ventilador de tiro forzado) que impulsa el aire a travs de tubos o de una ca"a de aire. !stos 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 me"ores el mezclado y el control de la configuración de la flama. !s posible medir el flu"o de aire que resulta fácil el control automático de la relación aire 0 combustible (*igura + -1).
Figura Nº 21 Quemador Sellado Mecáico
' Quemadores de caja de aire: 2on frecuencia consisten en poco más que 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 volmenes de aire requeridos son suministrados a muy ba"a presión ( - a 1 pulgadas de columna de agua). !s necesario tomar precauciones para evitar el flu"o inverso o el reflu"o de combustible $acia la ca"a de aire (*igura + -).
Figura Nº 22 Quemador de !a"a de Aire
' Quemadores integrados: sualmente consiste en elementos atornillados y dispuestos con un ventilador y quizás controles tambin integrados. Se usan ampliamente en instalaciones nuevas y de retroa"uste (*igura + -3).
Figura Nº 2# Quemador $tegrado
' Sistema de quemador con premezclado: 4ueden encontrarse en cualquiera de las configuraciones anteriores. 5as y aire se mezclan completamente corriente arriba de la tobera de la flama. Los peque6os quemadores industriales de paso mltiple de este tipo facilitan la dispersión de una peque6a cantidad de calor sobre un área e#tensa, por e"emplo, cubas, rodillos, calderas peque6as y placas móviles, y para el procesamiento a ba"a temperatura de productos movilizados por transportador (*igura + -7). Los grandes quemadores de puerta nica con premezclado $an sido sustituidos por quemadores con mezclado por tobera. !s posible controlar me"or la relación combustible 0 aire con el uso de mezcladores aspiradores (la inyección de aire aporta la energía necesaria para atraer la proporción adecuada de gas) (*igura +-8). 9uc$as unidades peque6as tienen sopladores de tama6o menor que el necesario, en virtud de que por aspiración en el $orno se obtiene aire secundario. !l aumento en los costos de los combustibles $ace económicamente impráctico el uso innecesario de e#ceso de aire en tales configuraciones.
Figura Nº 2% Quemador de &reme'clado co $(ector
Figura Nº 2) Quemador de &reme'clado co A*+irador
' Sistema de quemador con mezclado en tobera: !n este dispositivo se mezclan gas y aire al entrar a la cámara de combustión por la boquilla de la flama (*igura + -:). /ales sistemas permiten el uso de una amplia variedad de relaciones combustible 0 aire, formas de flama y combustibles. 4ara procesos que requieren ambientes especiales, pueden operar con mezclas muy ricas (e#ceso de combustible de 8;) o muy pobres (e#ceso de aire de 18;). 4ueden construirse de modo que las velocidades sean muy grandes, para me"orar aun más la transferencia de calor por convección (*igura + -<). !n otros se usan efectos centrífugos y de otra clase para $acer que la flama siga el contorno de una pared refractaria adyacente, y de este modo me"orar la radiación por las paredes (*igura + -=).
Figura Nº 2, Quemador co Me'clado e Tobera !otrolado +or Aire
Figura Nº 2- Quemador de Alta .elocidad
Figura Nº 2/ Quemador de Radiaci +ara &ared
' Quemadores con mezcla de acción retardada: /ienen 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. !stos sólidos presentes en la flama absorben calor y producen luminiscencia inmediatamente, $aciendo que una llama de mezcla de acción retardada sea amarilla o anaran"ada. !l aumento de la luminosidad me"ora 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 $orno largo de secar o un $orno que solo puede ser fogueado por un e#tremo. ' Quemadores controlados por combustible: !n la mayor parte de los quemadores para procesos industriales tradicionalmente se $a usado la energía de la corriente de aire para conservar la estabilidad y la forma de la llama. >$ora que por lo general 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 ba"a. !n la *igura + -? se presenta un quemador controlado por combustible. La disponibilidad de mltiples conductos de entrada y posiciones de puerta de salida permite modificar el patrón de la flama durante el funcionamiento para una transferencia de calor optima de ciclo. !s 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.
Figura Nº 2 Quemador de a* !otrolado +or !ombu*tible +ara u*o de Aire &recaletado
· Quemadores de Aceite combustible (combustóleo): 5ran parte de lo que se $a dic$o anteriormente para los quemadores de gas es válido tambin para los de petróleo o aceite combustible. Los líquidos en si no e#perimentan combustión, de modo que deben vaporizarse antes. !s posible emplear ebullición en aire caliente para producir un flu"o de vapor caliente, el cual puede sustituir de manera directa al gas en los quemadores de premezclado. > menos de que $aya muc$os quemadores o de que sean muy peque6os, por lo general es más práctico (reduce la necesidad de mantenimiento) convertirlos en quemadores de combinación (para dos combustibles) del tipo de mezclado en tobera.
Vaporización por Atomización !n casi todos los quemadores industriales para combustibles líquidos se emplean atomización para ayudar a vaporizar el combustible, e#poniendo la gran área superficial (respecto al volumen) de millones de gotas diminutas (en un intervalo de tama6os de 1 a 7 micrómetro). La transferencia de masa ocurre entonces con rapidez, incluso si las gotas no se e#ponen a la radiación del $orno o a aire caliente.
!n la atomización por presión (como en una manguera de "ardín) se emplea la energía de presión contenida en la corriente de líquido para $acer que la energía cintica venza las fuerzas viscosas y de tensión superficial. Si embargo, si la entrada se reduce al disminuir la presión del combustible, la calidad de atomización tambin se reduce% por tanto, este mtodo de atomización se limita a unidades no graduables (solo del tipo encendido 0 apagado) o a casos en que se dispone de presiones de combustibles mayores a -8 psi. La atomización de dos fluidos es el mtodo mas usado en quemadores industriales. La fricción viscosa por un segundo fluido a alta velocidad que rodea la corriente de combustible líquido literalmente lo rompe en gotas peque6as. !l segundo fluido puede ser aire a ba"a presión (@- psi, o bien A13.=B4a), aire comprimido, combustible gaseoso o vapor de agua. !#isten muc$os dise6os patentados de atomizadores para diversos ángulos de aspersión, tama6os, intervalos de intensidad de flama y dimensiones de gotas. La mezcla en emulsión suele producir la me"or atomización (gotas peque6as uniformes con consumo relativamente ba"o del fluido atomizador), pero en este caso el control es complicado por la interacción de las presiones y los flu"o de las dos corrientes. !l mezclado e#terno es totalmente los opuesto. !l uso actual es una solución intermedia denominada atomización de emulsión en la punta. !n la atomización por copa giratoria se envía el combustible líquido $acia el centro de una copa que gira rápidamente y que está rodeada por una corriente de aire. La rapidez del giro y la presión del aire determinan el ángulo de aspersión. !ste mtodo aun se usa en algunas calderas grandes, pero se $a demostrado que algunas partes móviles e#puestas al calor del $orno representan un serio problema de mantenimiento en $ornos para procesos a la temperatura elevada, y en instalaciones peque6as en las que es posible que no se aplique un estricto programa de mantenimiento preventivo. Los sistemas sónicos y ultrasónicos de atomización crean gotas muy finas, pero les imparte muy poco movimiento. 4or esta causa, no funcionan bien con las configuraciones ordinarias de quemadores y $acen necesario un dise6o completamente nuevo.
Acondicionamiento de Combustible Líquido !s posible emplear diversos aditivos para reducir la degradación del combustible en el almacenamiento, minimizar la escorificación y abatir la tensión superficial, la contaminación y el punto de rocío. Los aceites residuales deben calentarse antes del bombeo para reducir su viscosidad, usualmente a 88 SS (1cSt). 4ara lograr una atomización adecuada, los combustóleos de grados más pesados que el +um. - deben calentarse con el fin de reducir la viscosidad a una cantidad entre 138 y 18 SS. Se necesita elevar la temperatura del combustóleo a un nivel e#igido, por e"emplo, apro#imadamente a 8< 2 para el combustóleo +um. 7, <7 2 para el +um. 8 y de ?3 2 a 17 2 para el +um. : (la clasificación de los combustóleos se puede consultar en el segmento referido a los combustibles líquidos contenido en este mismo circuito). Si el combustible a acondicionar es petróleo y el flu"o del mismo se detiene dentro del calentador, este puede vaporizarse o carbonizarse. >mbas situaciones disminuyen la transferencia de calor desde las superficies del calentador, lo cual puede causar una falla catastrófica en los calentadores.
' Quemadores de carbón pulverizado:
Los quemadores de carbón pulverizado, se colocan en diferentes posiciones, dependiendo del combustible, tama6o y forma del $orno. !l carbón de ba"o contenido de compuestos volátiles deben pulverizarse finamente para obtener me"or relación de combustión. na parte total del aire requerido apro#imadamente el 1 al -; es necesario para soplar el combustible dentro del $orno. Si se usa poco aire primario, el combustible puede depositarse en los quemadores o en los tubos, con el peligro de ignición y da6o del quemador. !l tama6o y forma de las toberas de los quemadores, distribuidores, así como las tuberías de aire y carbón tienen efecto importante en la estabilidad de los fuegos y temperatura del $orno. Los quemadores que se usan con mayor frecuencia son los circulares de un solo registro, dise6ados para quemar solo carbón pulverizado (*igura + 3). !ste tipo de quemadores puede equiparse para quemar cualquier combinación de los tres combustibles principales. Sin embargo, el quemar una combinación de carbón pulverizado con combustóleo con el mismo quemador debe limitarse a periodos cortos de emergencia debido a que e#iste la posibilidad de que se forme coque en el elemento de carbón pulverizado.
Figura Nº #0 Quemador !ircular +ara !arb &ul3eri'ado4 !ombu*tleo o a*
La disposición de estos quemadores en el $ogar se puede observar en la siguiente figura + 31
Figura Nº #1 !aldera co Quemadore* $cliado* 5acia Aba"o o 5acia Arriba
6OARES n $ogar es una cámara donde se realiza la combustión. La cámara confina los productos de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y su geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, al tipo de combustible y al mtodo de combustión completa y proporciona un medio apropiado para eliminar la ceniza. Los $ogares se pueden clasificar segn su función& ' 2alentamiento para moldeo en estado sólido (laminado, for"a). ' *usión de metales o vidrio. ' /ratamiento trmico para me"orar propiedades físicas. ' 4recalentamiento para procesos de revestimiento, galvanización, esmaltado vítreo y otros revestimientos a alta temperatura. ' Ceneficio o fundición para reducir minerales metálicos. ' 2ocido de materiales cerámicos. ' Dncineración. 4or el mtodo de mane"o de la carga& ' Eornos de carga completa para calentamiento cíclico, incluyendo $ornos de for"a dispuestos para calentar el e#tremo de una barra o lingote insertado por una abertura en la pared o una puerta lateral en dise6os de base corrediza de tipo crisol estacionario. ' Eornos contínuos en los cuales las cargas son empu"adas o llevadas por una banda transportadora. ' Eorno inclinable.
ogares en!riados por agua& Se utilizan con la mayor parte de las unidades de calderas y para todos los tipos de combustibles y mtodos de combustión (ver figura + 3-). !l aumento creciente de los costos de la energía calorífica $a motivado que las estructuras de las paredes se me"oren para reducir las prdidas o las demandas de calor para ciclos de calentamiento. !l enfriamiento por agua de las paredes del $ogar reduce la transferencia de calor $acia los elementos estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la o#idación. Las construcciones de $ogares enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del $ogar y tambin de dimensiones óptimas de tec$os, tolvas, arcos y monta"e de los quemadores% así como el uso de pantallas tubulares, planc$as o paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente de calor en la zona de combustión. !l uso de $ogares con enfriamiento por agua reduce las prdidas de calor al e#terior.
Figura Nº #2 6ogar E7riada +or Tubo* de Agua
Las superficies absorbentes de calor en el $ogar, reciben de los productos de combustión dic$o calor y contribuyen directamente a la generación de vapor, ba"ando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectan en forma simultánea. !stos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos que proviene del lec$o del combustible o de las partículas del
combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del $ogar y la conducción de calor a travs de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficiencia de absorción de calor de las superficies del $ogar es influida por los depósitos de ceniza o escoria. !stos tipos de $ornos difieren en tama6o y forma, en la localización y espaciamientos de los quemadores, en la disposición de la superficie absorbente de calor y en la distribución de arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la geometría de la radiación y la velocidad y distribución de la absorción de calor por las superficies enfriadas por agua. Las soluciones analíticas de la transferencia de calor en los $ogares de las unidades generadoras de vapor son e#tremadamente comple"as, y es muy difícil calcular la temperatura de los gases de salida del $ogar por los mtodos teóricos. Sin embargo, se debe predecir la temperatura de los gases de la manera más precisa posible, ya que esta temperatura determina el dise6o del resto de la unidad de la caldera, en particular el del sobrecalentador y del recalentador. Los cálculos, por tanto, deben basarse en resultados obtenidos en pruebas, datos acumulados por la e#periencia en la operación y en "uicios basados en el conocimiento de los principios de la transferencia de calor y de las características de los combustibles y escorias, o para ser un poco más específico en la determinación de dic$os cálculos las variables que afectan de manera bastante directa son la potencia calorífica del combustible, materias volátiles, punto de ignición, contenido de cenizas y su temperatura de reblandecimiento y fusión, contenido de azufre y $umedad, facilidad de pulverizado del carbón y clasificación de tama6os, de estas la que tiene mayor influencia es el punto de fusión de la ceniza. 4uesto que cualquier ceniza se funde en una llama de combustible pulverizado, debe dirigirse un esfuerzo $acia las partículas en enfriamiento de la ceniza fluida por deba"o de la temperatura de ablandamiento antes que penetren la sección de convección de la unidad. Fe esta forma parece indicado un $ogar de grandes dimensiones y de ba"a prdida de calor.
