Sistemas de Combustión para Calderas
Diseño de sistemas de combustión y El quemador es el principal componente para la combustión del petróleo y del
gas natural. En los generadores industriales de vapor, el quemador hace ingresar combustible y aire a la cámara de combustión de una manera que asegure una combustión segura y eficiente mientras la caldera se encuentra en plena capacidad. y El diseño del quemador determina las características de la mezcla del
combustible y del aire, tamaño de las partículas del combustible y su distribución, tamaño y forma de la envoltura de la llama. y Los medios de transporte, medición y regulación del combustible y del aire
hacia la cámara de combustión, junto con los quemadores, sistemas de ignición y equipos de seguridad de flama comprenden el sistema general de combustión. Elaborado por Jaime Zea
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Consideraciones de Diseño y La tasa de alimentación de combustible y aire para cumplir con la demanda de y y y y y
y
carga de la caldera sobre un rango operativo predeterminado. L i d Los tipos de combustibles a ser quemados incluyendo composición elemental y b ibl d i l d i ió l l propiedades características de cada combustible. La eficiencia del proceso de combustión para reducir al mínimo los combustibles no quemados y los requerimientos de exceso de aire. combustibles no quemados y los requerimientos de exceso de aire Limitaciones impuestas sobre las emisiones. Tamaño físico y complejidad de la cámara de combustión y de los quemadores para establecer el diseño más eficiente y económico. para establecer el diseño más eficiente y económico Diseño de hardware y propiedades de materiales del equipo de combustión para garantizar un servicio confiable e ininterrumpido para largos periodos de quemado. Estándares y procedimientos de seguridad para el control de quemadores y calderas, incluyendo arranques, paradas, cambios de carga, y variaciones en el combustible. Elaborado por Jaime Zea
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Elementos de un Sistema de l d d Combustión y El quemador propiamente dicho. y Ventilador de aire de combustión. y Bomba de combustible. y Precalentador de combustible. y Sistema de encendido. y Electroválvulas. El t ál l y Sistemas de control, dispositivos de regulación. y Sistema de vigilancia de llama, etc.
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Q Quemadores para Calderas d C ld
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El Quemador de una Caldera Q y El propósito de un quemador es combinar conjuntamente un combustible y un
oxidante (típicamente aire) y proporcionar la suficiente energía de ignición para iniciar y sostener el proceso de combustión. Siendo este el caso, las principales funciones que un quemador debe garantizar, pueden ser separadas dentro de tres categorías: Inyección del combustible, introducción del aire, estabilidad bilid d de d la l llama. ll y Los
quemadores específicamente diseñados para usarse en calderas industriales, son los más comunes los de diseño de registro circular, el rango en capacidad de salida de calor es de 20 a 400 millones de BTU por hora, operando con ventiladores de tiro forzado que suministran el aire de combustión, y quemando gas o hidrocarburos líquidos. Estos quemadores son generalmente clasificados por la cantidad de emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) que ellos producen: quemadores convencionales, quemadores de bajo NOx, y los de ultra l bajo b j NOx. NO Elaborado por Jaime Zea
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Rendimiento de un Quemador Q y El rendimiento será el que porcentualmente resulte de restar a las
calorías totales aportadas p por el combustible, las no desarrolladas, q p que representan los inquemados producidos. Este valor siempre muy alto, próximo a 100, y normalmente no se usa. y Para determinar la influencia de los quemadores sobre el rendimiento
de un proceso conviene ser muy exacto para evitar que una imprecisión en las medidas, como una entrada de aire falso, disfrace sus verdaderas características.
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Factores de Selección y Proceso y cámara de combustión. y Combustible. y Exceso de aire. y Margen de regulación. y Estabilidad de funcionamiento. y Forma y dimensiones de la llama. y Consumo de energía auxiliar. C d í ili
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Componentes del sistema de combustión b ó El Elem. dde encendido did PILOTO
Combust. de Combust encendido
Combustible Principal
Elem. de Seguridad
Elem. de Control
Elemento Acondic. de Combustible
CALOR
- Atomizador - Quem. de gas COMBUSTION
Aire de Combustión
Elem. de Seguridad
Elem. de Control
Elemento El t Acondic. de Aire Caja de Aire Registro
Sist. de Protección Sist por Falla de Llama NFPA
Sist Automático de Sist. Control de Combustión Elaborado por Jaime Zea
EMISIONES
Quemador de Oil y Gas
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Q Quemador de Oil y Gas y
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Quemadores de Oil y El combustible líquido habitualmente se quema a través tra és de una suspensión de gotas
generadas como consecuencia de su atomización. Las gotas provienen del atomizador y se dirigen hacia la zona de combustión, y en el pasaje se calientan como consecuencia de la radiación de la llama y de la transferencia de calor convectiva desde los g gases calientes que la rodean. Ello produce la vaporización de los componentes más livianos del combustible, que se mezclan con el aire que rodea la gota y luego combustionan.
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Características de la combustión Características de la combustión del Oil y Necesidad de precalentamiento para petróleos pesados, para reducir su
viscosidad durante el bombeo y facilitar su atomización. y Necesidad de atomización antes de la combustión. y Es necesario obtener una nube de gotas pequeñas. y Generalmente las gotas tienen un diámetro entre 10 y 200 µ, a pesar de
que es posible tener gotas con un diámetro mayor. y La suposición usual para una atomización satisfactoria es un diámetro
por debajo de 50 µ para el 85% de las gotas. gotas Elaborado por Jaime Zea
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Atomización y Los quemadores de oil pueden ser clasificados de
acuerdo al tipo de atomización en: 1.
Atomización mecánica (con flujo directo o con flujo ( j j de retorno)
1.
Atomización con fluido auxiliar (aire o vapor)
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Atomización
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Atomización mecánica con flujo Atomización mecánica con flujo directo y El petróleo es bombeado por completo dentro de la cámara de y
y y y y
combustión. El ajuste del caudal se realiza en la descarga de la bomba a través de una válvula de accionamiento manual, o por medio de una válvula de control automática. automática El flujo volumétrico Q depende de la presión ( ) Un nivel de aceptación de atomización requiere que la presión sea por p q q p p lo menos de 5 a 6 bar Rango de ajuste del caudal limitado. N id l No son ideales para trabajar con una variación sensible de carga. t b j i ió ibl d
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IImportancia de presión correcta de t i d ió t d Atomización to ac ó
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IImportancia de presión correcta de t i d ió t d Atomización to ac ó
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Atomización mecánica con retorno Atomización mecánica con retorno j de flujo y El caudal de la bomba es básicamente constante. y El petróleo es dirigido a través de las ranuras típicas dentro de una
cámara de turbulencia, donde una fracción del flujo entra en la cámara de combustión y otra parte regresa a la succión de la bomba. y El ajuste j t se hace h en ell flujo fl j de d retorno t a través t é de d una válvula ál l de d control t l de caudal.
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Diagrama de Instalación g
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Curva Característica
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Atomización con fluido auxiliar y En quemadores con atomización por vapor, el nivel de energía requerido
para atomizar es principalmente entregado por el vapor expandiéndose rápidamente a medida que sale del quemador. y En estos quemadores el vapor es inyectado dentro de la tobera
g emulsionarse con el p petróleo. consiguiendo y La presión de petróleo es claramente inferior que la requerida por el
quemador anterior (q q (que no suele superar p los 7 bar). ) y la presión de vapor excede a la presión de petróleo de 1.5 a 3 bar. y El inconveniente de este tipo de quemador es el consumo de vapor, que no
debe exceder de 0.1 Kg por cada kilogramo de petróleo a máxima carga, si este está bien diseñado Elaborado por Jaime Zea
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Curva de consumo especifico
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Atomizador y Lanza de Petróleo y
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Quemadores de Gas
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Q Quemadores de Gas d d G y Los combustibles gaseosos son los más fáciles de quemar y afinar. y No hay atomización como con el petróleo, y no existen problemas de y y
y
y
trituración y pulverización como con el carbón. El gas natural no produce incrustaciones ni obstrucciones, incluso ni corrosión d bid a la debido l ausencia i de d azufre. f Los quemadores industriales generalmente tienen una llama de difusión, el aire y el gas no son premezclados al entrar a la cámara y la mezcla se produce a través de difusión turbulenta. turbulenta La configuración más simple y frecuentemente adoptada para pequeños flujos de gas consiste de un toroide donde el gas es dejado en el equipo mediante una serie de agujeros g j por los cuales los flujos p j de g gas entran en la cámara. En los casos de quemadores con altos flujos de gas, spuds equipados con cabezales de acero inoxidable y con muchos agujeros a través de los cuales sale el gas, son generalmente usados. Los spuds son dispuestos en círculos alrededor de un disco estabilizador de flama central (impelente) de forma cónica y con grietas tangenciales. Los spuds además pueden ser desconectados por separado de las tuberías conductoras de gas.
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Toberas de Gas
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Spuds de Gas
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Recirculación de Gases de Recirculación de Gases de Combustión
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Efecto de la Recirculación de Gases Efecto de la Recirculación de Gases p de escape
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Control de Combustión
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Secuencia de Arranque Secuencia de Arranque
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Tren de Gas Natural
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Tren de Gas Natural
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Analizadores de Gases
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Análisis de Gases en Caldera
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Jaime Zea Arizaga Departamento de Ingeniería y Proyectos TECNOLOG S.A Diseño y Fabricación de Calderas Pirotubulares y Acuotubulares I Ingeniería en Generación de Vapor y Combustión. i í G ió d V C b ió
[email protected] /
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