Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor: factores clave para una combustión eficiente

Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor

AERODINÁMICA DE QUEMADORES Y FLUJO DE AIRE EN GENERADORES DE VAPOR.

Ing. Mario Huerta Espino Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Procesos Térmicos.

“Curso de combustión y puesta a punto de generadores de vapor de centrales termoeléctricas de C.F.E.”

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AERODINÁMICA DE QUEMADORES Y FLUJO DE AIRE EN GENERADORES DE VAPOR. Contenido 2.2

Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor.

2.2.1 Aerodinámica de quemadores. 2.2.2 Flujo de aire en generadores de vapor. 2.2.3 Conclusiones. Anexo “A”. Calculo de la relación aire/combustible en el quemador. 2.2.4 Referencias.

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2.2

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2.2.1 Aerodinámica de quemadores. La combustión puede definirse como una rápida combinación química del oxígeno con los elementos combustibles o el combustible mismo, con desprendimiento de calor. Combustible + Aire → Productos + Calor Dentro de los requerimientos necesarios para que se lleve a cabo este proceso se encuentra: a. b. c. d. e. f. g.

Contar con una fuente de ignición. Oxidación del combustible sobre una base continua. Reignición constante. Inyección del combustible. Forma definida de flama. Minimizar la formación de emisiones contaminantes. Estabilidad y operación confiable.

El fenómeno de flama es el resultado de una compleja interacción de procesos físicos y químicos. Se define como una rápida reacción oxidante exotérmica en fase gaseosa capaz de propagarse a si misma, en la que mecanismos de transferencia de energía, masa y momentum juegan un papel preponderante. La combustión en fase gaseosa abarca tanto a combustibles gaseosos como líquidos, ya que estos últimos se tiene que presentar una vaporización antes de la combustión. En el estudio de flamas, los parámetros de interés son: i) la rapidez de propagación de la reacción entre zonas con y sin combustión, ii) la velocidad de reacción a la cual se consumen los reactantes, y iii) la transferencia de energía (por radiación y convección de la flama hacia sus alrededores). Existen dos clasificaciones de tipos de flamas: premezcladas o de difusión y laminares o turbulentas. Flamas premezcladas, el combustible y el oxidante se mezclan antes de la zona de reacción. Ejemplo típico: mechero bunsen con los orificios de aire abiertos, flamas de estufas domésticas. Flamas de difusión, la mezcla del aire con el combustible se efectúa por un mecanismo de difusión. La palabra difusión implica que dos flujos inicialmente separados entran en contacto a nivel molecular. “Curso de combustión y puesta a punto de generadores de vapor de centrales termoeléctricas de C.F.E.”

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La mayoría de las flamas con aplicación industrial caen dentro de la clasificación de flamas de difusión, p.ej. flamas en hornos y calderas. El oxidante y el combustible se suministran por corrientes separadas, a excepción de las flamas de carbón pulverizado. Una flama laminar o turbulenta, depende de si el fluido en el que se produce el quemado es catalogado como laminar o turbulento. Esto es claro que depende del número de Reynolds del flujo.

Re =

vd ρ

µ

,

Donde v es la velocidad promedio, d es el diámetro del tubo o luna longitud característica, µ es la viscosidad y ρ la densidad. Re < 2300 flujo laminar, 2300 < Re < 3200 flujo inestable y Re > 3200 Flujo turbulento. En la mayoría de las flamas de difusión, la velocidad a la cual el combustible y el oxidante son físicamente capaces de mezclarse o difundirse entre sí es mucho mas lenta que la velocidad a la cual las reacciones químicas se llevan a cabo una vez que las moléculas de combustible y oxidante se ponen en contacto. La rápida reacción en la que se efectúa este proceso, solo es limitada por el proceso de mezclado del aire/combustible a escala microscópica, por lo que se considera que “el modelo de combustión es básicamente un modelo de mezclado”, donde las condiciones requeridas para asegurar la eficiencia de este proceso están fuertemente relacionadas con la aerodinámica del sistema de combustión. La extinción de la flama puede ocurrir cuando la velocidad de la reacción química no puede mantener el ritmo de suministro de reactantes. Lo que sucede es que existe un flujo determinado de reactantes para el cual la reacción química no puede proceder a un ritmo lo suficientemente veloz como para calentar a los reactantes a una temperatura alta que sostenga la combustión. Para que se cumpla con la condición de estabilización de flama en un campo de velocidades no necesariamente uniforme, debe existir un punto donde la velocidad del flujo es igual pero de sentido contrario con la velocidad del frente de flama (zona donde se produce la reacción de combustión). En otros puntos, la velocidad del flujo puede exceder la velocidad de la flama. En el caso de que la velocidad del flujo excede la velocidad de quemado en todos los puntos del frente de flama, se puede presentar una condición de apagado de la flama. “Curso de combustión y puesta a punto de generadores de vapor de centrales termoeléctricas de C.F.E.”

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Contrariamente a la condición anterior, cuando la velocidad de quemado excede la velocidad del flujo, el frente de flama retrocede hacia el quemador, presentándose el retroceso de flama. Diversas características de la combustión, dependen de los aspectos aerodinámicos, por lo que éstos adquieren una gran importancia en el quemado de cualquier combustible empleado. Un quemador es un dispositivo que produce una flama. Debe mezclar el combustible y un agente oxidante en proporciones que se encuentran dentro de los límites de la flamabilidad para el encendido, así como también para lograr una combustión constante y eficiente. La aerodinámica del quemado debe proporcionar una distribución uniforme del aire de combustión y del combustible. Sin embargo, para garantizar en todo momento una mezcla uniforme con los productos de combustión intermedia, es necesario además dotar al aire de una elevada turbulencia, que favorezca la difusión. Dicha turbulencia debe ser tal que asegure una flama que se caracterice por una forma bien definida y por unan elevada estabilidad. Sin estabilidad en la flama se puede presentar la extinción de la combustión o dar como resultado varias pulsaciones del hogar que dañarán los equipos, en los casos extremos, se pueden producir explosiones con efectos desastrosos. Para ello, los patrones de flujo del aire de combustión, a la salida de los quemadores, deben combinarse adecuadamente con los del líquido atomizado o combustible inyectado. De no ser así, se podrían establecer zonas con diferente concentración de oxígeno, algunas muy ricas y otras pobres en este oxidante. Para clasificar las calderas a fuego directo pueden adoptarse varios criterios, uno de los cuales se basa en el arreglo de sus quemadores. De acuerdo con tal criterio, éstos pueden agruparse en: 1)

Calderas con quemadores tangenciales (figura 2.1).

2)

Calderas con quemadores frontales (figura 2.1).

Las calderas de combustión tangencial reciben este nombre debido a que durante su operación forman un ciclón de flamas en el hogar originado por la posición de las toberas ajustables de aire, quemadores de gas y combustóleo, los cuales se encuentran instalados en las esquinas de hogar, y que en operación hacen incidir la mezcla aire combustible en forma tangencial al centro del hogar (ver figura no. 2.2).

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Las calderas que usan quemadores tangenciales surgieron como una innovación tecnológica, al utilizar quemadores inclinables o basculantes como alternativa de control de la temperatura del vapor recalentado, suprimiendo así, la necesidad del recirculador de gases que se utiliza en los que poseen quemadores frontales. Pese a que algunas calderas con quemadores tangenciales de diseño más moderno, incorporan los dos métodos de control de temperatura de vapor recalentado, es decir, quemadores basculantes y el recirculador de gases, la inclinación de los quemadores sigue siendo un método efectivo y económico de control. Una diferencia importante entre los dos tipos de generadores la constituye la forma y materiales de construcción del propio quemador. Un problema particular de los generadores de vapor que usan quemadores tangenciales y que no se presenta en los utilizan quemadores frontales, es que las toberas ajustables de aire suelen sufrir un deterioro acelerado, de tal forma que el generador de vapor necesita ponerse fuera de servicio con bastante frecuencia (de 10 a 24 meses según el caso). Otra característica desventajosa de algunos diseños de quemadores tangenciales, es su aparente necesidad de operar con excesos de aire relativamente elevados para producir combustión completa, lo que ha sido puesto de manifiesto en diversos estudios realizados en centrales termoeléctricas y que resulta inconveniente por múltiples causas. No obstante lo anterior, existen diseños de quemadores tangenciales que si pueden operar con excesos de aire comparables a los de los quemadores frontales, lo que parece indicar que la posibilidad de quemar eficientemente con bajos excesos de aire (menos del 1% de O2 residual en gases de combustión) no es privativa de un determinado arreglo de quemadores (frontales o tangenciales), sino más bien del diseño particular de cada quemador. Las calderas que utilizan quemadores frontales tienen como característica principal que sus quemadores se encuentran localizados en la pared frontal del hogar, es decir en la pared que da al edificio del turbogenerador. Sin embargo, a medida que el diseño de la caldera es más grande, y por tanto el número de quemadores también aumenta, éstos se instalan tanto en la pared frontal como en la posterior (ver figura 2.3).

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Figura 2.1. Configuraciones de arreglo de quemadores.

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Figura 2.2. Ciclón de flama o bola de fuego en quemadores tangenciales.

Figura 2.3.

Flamas en quemadores frontales.

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Principios de diseño de generadores de vapor para quemado de aceites residuales del petróleo. El diseño de generadores de vapor para el quemado de aceites residuales del petróleo incluye el diseño del atomizador (o inyección del combustible), registros de aire, el horno, superficies de transferencia de calor y equipos auxiliares. La combustión de combustibles líquidos es un proceso más complejo que la combustión de un combustible gaseoso. El combustible líquido debe pulverizarse en pequeñas gotas para poder quemarse de una manera más eficiente. Los combustibles líquidos contienen una amplia variedad de hidrocarburos pesados y otras especies trazas, las cuales pueden tener puntos de ebullición a temperaturas diferentes. Como tal, la vaporización ocurre en un periodo más grande de tiempo, provocando que el tiempo de residencia requerido sea más grande que el de la mayoría de los gases. En principio, se adoptan los mismos criterios de diseño para un quemador de combustible líquido que para un quemador de gas. Se busca una mayor eficiencia y una menor emisión de contaminantes, con la diferencia de los requerimientos necesarios para el manejo y sistema de suministro e inyección del combustible. La función esencial de un quemador como elemento central de un sistema de combustión de una caldera o generador de vapor, es la de mezclar e introducir el combustible y el aire para combustión en el horno. Esto de tal manera que se obtenga la penetración y forma de flama adecuada, para obtener la mayor eficiencia de quemado con el mejor aprovechamiento de la energía liberada para satisfacer la demanda del proceso. El diseño de quemadores para calderas industriales y hornos de proceso debe enmarcarse dentro del contexto de garantizar máxima eficiencia, estabilidad operativa, bajos costos de mantenimiento y control de las emisiones contaminantes. Dentro de los aspectos generales del diseño de quemadores, se consideran fundamentalmente como los más importantes: 1. La forma en la que se inyecta el combustible. 2. La aerodinámica del propio quemador. Estos aspectos influyen directamente en:

•

La estabilidad de la flama generada.

•

En las técnicas empleadas para la estabilización de la flama.

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•

En las características de la flama (forma, longitud y volumen).

La forma de una flama para un proceso dado se ve influenciada también por la geometría y dimensiones del horno y los requerimientos térmicos del proceso. La cantidad de calor que se genera por cada quemador es un parámetro muy importante en el diseño del horno o hogar del generador de vapor, ya que este define el espacio requerido para completar la combustión. La función primaria del horno, es asegurar que el combustible tenga el suficiente tiempo de residencia para completar su combustión. La segunda función del horno, es enfriar la temperatura del gas por transferencia de calor a las paredes enfriadas por agua alrededor del mismo. En hornos de quemado de aceites residuales del petróleo, los gases no deben ser enfriados debajo de 1000ºC a la salida del horno, la velocidad de quemado de gotas de combustible es muy lento a estas temperaturas. Así cualquier combustible ínquemado podría no completar su combustión y por lo tanto la temperatura de los gases a la salida del horno de calderas de gran tamaño, alcanzar el rango de los 1350-1400ºC a la salida del horno. Mientras que la cantidad de calor liberado en la combustión en el horno es proporcional a el volumen del horno, la cantidad de absorción de calor es proporcional al área superficial de las paredes del horno. Dentro de cada una de las configuraciones que pueden presentarse en la posición de los quemadores en el hogar, hay algunos parámetros de diseño que pueden influir en el proceso de combustión y el funcionamiento integral del sistema de combustión, ver figura 2.4. Para todas las configuraciones de un horno, el calor liberado por unidad de volumen o área superficial, es un parámetro importante que puede afectar tanto a la eficiencia del proceso de combustión, como a la formación de emisiones contaminantes. Algunas dimensiones especificas del hogar pueden llegar a ser importantes para seleccionar una configuración específica. Para unidades de quemadores en una sola pared, la profundidad del hogar puede ser un parámetro importante en términos de que la flama pueda pegarse o choque con la pared posterior. En configuraciones donde los quemadores se ubican en paredes opuestas, el parámetro anterior no resulta ser tan crítico, debido a que el flujo opuesto entre los quemadores minimiza el recargamiento de las flamas hacia las paredes.

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En el caso de aplicación de principios de combustión para reducir la formación de los NOX (combustión en etapas o quemadores de bajo NOX), el tamaño del hogar puede llegar a ser una gran restricción a considerarse. Las flamas de los quemadores de bajos NOX, tienden a ser mas largas, aumentando el interés de que el combustible alcance a quemarse antes de que se apague al chocar con las paredes. Los hornos con quemadores tangenciales pueden llegar a ser cuadrados o rectangulares en su sección transversal. La configuración rectangular del horno puede ser más propensa a producir una “bola de fuego” asimétrica, la cual puede provocar desbalances en la absorción de calor en el hogar y posiblemente desbalances de las concentraciones de oxígeno a través del horno. Para todas las configuraciones de diseño de hornos para el quemado de combustibles líquidos (residuos del petróleo), la altura del horno sobre los quemadores, a la entrada de la sección convectiva, es un parámetro importante para proporcionar el tiempo de residencia suficiente para el quemado del combustible. El tiempo de residencia de los gases de combustión en el hogar se define como el tiempo que tardan en recorrer los gases, la distancia entre el último nivel de quemadores (nivel superior) y la salida del hogar o nariz del generador de vapor. Un tiempo de residencia muy pequeño puede ser indicativo de un horno pequeño. Otro factor indicativo de la condición de un horno o hogar pequeño en un generador de vapor es el parámetro de la cantidad de calor que se libera en la zona del quemador (BZRL, Burner Zone Heat Release Rate). Este parámetro se obtiene con la relación entre el calor total de entrada al hogar (Btu/hr) y el área de enfriamiento que rodea al quemador. El área de enfriamiento que rodea al quemador se define generalmente como el área superficial del hogar (ancho y profundidad), y la altura definida entre el nivel superior de quemadores y el nivel inferior, como se observa en la figura 2.5. A este respecto las condiciones para definir el BZRL en una caldera pueden variar de acuerdo a los fabricantes, algunos contemplan variaciones en la altura que se toma entre el nivel superior e inferior de quemadores. Altos valores de BZRL son indicativos de hogares relativamente pequeños, en los cuales los gases o productos de combustión ceden una menor cantidad de calor a las paredes, por lo que las temperaturas de combustión promedio resultantes son mas altas que aquellas encontradas en un hogar más grande con una mayor área superficial. Debido a que la formación de los NOX-térmicos es una función exponencial de la temperatura, este parámetro tiene un fuerte efecto sobre la producción de NOX.

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Figura No.2.4.

Configuraciones de hornos y dimensiones criticas de diseño(1).

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Figura No. 2.5

Diagrama esquemático de las dimensiones necesarias para calcular la velocidad de liberación de calor en un generador de vapor.

Por lo tanto, la geometría y dimensiones del horno son parámetros de gran importancia para definir las condiciones del proceso de combustión y específicamente las condiciones de funcionamiento del quemador en cuanto a la liberación de energía para las necesidades del proceso en que sé este empleando. El tamaño de los hornos para quemar aceites combustibles es ligeramente más pequeño que los empleados para quemar carbón. Esto es a consecuencia de las más altas intensidades de combustión con combustibles líquidos y los mayores flujos de calor hacía las paredes(1). Una comparación relativa del tamaño del horno para el quemado de carbón, combustóleo y gas se presenta en la figura No.2.6.

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Los requerimientos generales para un horno de un generador de vapor, independiente del método de quemado, son los siguientes: 1. El horno debe proveer el ambiente físico requerido y el tiempo para completar la combustión de cualquier partícula de combustible. 2. El horno debe tener adecuadas superficies de calentamiento por radiación para enfriar el flujo de gas, lo suficientemente para asegurar una operación segura de las superficies de calentamiento por convección. 3. La aerodinámica en el horno debe prevenir el recargamiento de las flamas sobre las paredes de agua y asegurar una distribución uniforme de flujos de calor sobre las paredes de agua. 4. El horno debe proveer condiciones favorables para la circulación natural confiable del agua a través de las paredes. 5. La configuración del horno debe ser lo suficientemente compacta para minimizar la cantidad y acero y otros materiales empleados para su construcción.

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Figura No.2.6.

Comparación relativa del tamaño del hogar de sistemas de combustión frontales para diferentes tipos de combustible(1).

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Criterios de diseño para los estabilizadores de flama (difusores). Existen diversos métodos de estabilización de flamas turbulentas: 1. Estabilización por medio de obstáculos (bluff bodies). 2. Estabilización por medio de impartición de giro o swirl. 3. Estabilización por medio de flamas piloto. El propósito de la colocación de obstáculos o bluff bodies (ver figura 2.7), es el de reducir la velocidad del flujo de combustible y propiciar la formación de una capa límite que presente, en una zona interior, un punto que iguale a la velocidad de quemado con la velocidad del flujo. Normalmente se produce una separación de la capa límite, formándose una estela (wake) con un vórtice de flujo recirculante en el espacio creado por detrás del obstáculo. La transferencia de calor y masa entre la estela y el flujo es alta, y si existe combustión en el flujo circundante, gases producto de la combustión a alta temperatura penetran en el vórtice y son transportados aguas arriba, donde se pueden mezclar con reactantes, preparándolos para una eficiente ignición. El numero de giro o swirl (S) es un parámetro adimensional que permite caracterizar el comportamiento aerodinámico de un chorro de aire (jet), y se define en términos de dos cantidades características de todo “jet”: flujo axial de momentum angular (Gϕ) y el empuje axial (GX).

S=

Gϕ G R X

en donde R es el radio de salida del ducto o boquilla, y (Gϕ) y (GX) están definidos como: R

Gϕ ∫ UWρ 2π r dr 2

=

Rh

G

R

X

= 2π ∫ ρ U rdr 2

0

Donde U y W representan a las componentes axial y tangencial de la velocidad.

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Un parámetro de interés en todo quemador es la eficiencia de generación del swirl (ver figura 2.7), ya que sólo parte de la perdida de presión a través del generador de swirl reaparece como energía cinética, existiendo una pérdida significativa en el mecanismo generador. En los casos donde se imparten swirls pequeños (S