Quemadores y Llama

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Curso de Cemento Quemadores y Llamas

Dirk Pauling TPT 01/21063/S

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Quemadores y Llamas Dirk Pauling TPT 01/21063/S 1. 2.

TERMINOLOGIA QUEMADORES

4 5

2.1

Quemadores de un canal

5

2.1.1

Diseños de quemadores

5

2.1.2

Figuras claves para quemadores de un canal

6

2.2

Quemadores de varios canales

6

2.2.1

Diseño de quemadores de varios canales

6

2.2.2

Quemadores Pillard Rotaflam

7

2.2.3

Quemador FLS Duoflex

8

2.2.4

Quemador KHD Pyrojet

9

2.2.5

Quemador Unitherm M.A.S.

10

2.2.6

Quemador Greco

11

2.2.7

Números claves de los quemadores de varios canales

12

2.3

Atomizadores de aceite pesado (Búnker C)

13

2.3.1

Atomizadores mecánicos con diafragma fija y presión variable.

13

2.3.2

Atomizadores mecánicos con orificio variable y presión constante.

15

2.3.3

Toberas con atomización asistida por medio de vapor o aire comprimido.

16

2.4

Quemadores de gas natural

16

2.4.1

Pillard Rotaflam KGD (quemadores de gas/carbón/aceite)

17

2.4.2

KHD Quemador de Gas

17

2.4.3 3.

FLS Duoflex LLAMAS

18 19

3.1

Efectos de una pobre combustión

19

3.2

La llama “ideal”

19

3.3

Características de las llamas de diferentes sistemas de quemadores

19

3.3.1

Quemador de un canal

19

3.3.2

Quemadores de varios canales

21

3.4

Factores influyendo la llama

22

3.4.1

Ajustes de aire primario

22

3.4.2

Posición del quemador en el horno

22

3.4.3

Alineación del quemador en el horno

23

3.4.4

Temperatura del aire secundario

23 2/35

3.4.5

Aire de exceso

23

3.4.6

Interacción llama- lecho de material

24

3.4.7

Características del carbón pulverizado

24

3.4.8

Ajustamiento de una llama de aceite pesado:

25

3.4.9

Ajustamiento de llamas de gas natural

25

3.4.10

Combustión de combustibles poco reactivos

25

3.4.11

Enriquecimiento de oxígeno

25

3.5

Indicadores de combustión

25

3.5.1

Calidad de clínker

26

3.5.2

Temperatura de zona de sinterización

27

3.5.3

Formación de costra

27

3.5.4

Análisis de los gases del escape

28

3.5.5

Temperatura en la entrada del horno

28

3.5.6

Volatilización de SO3

28

3.6

Formación de NOx

30

3.7 4.

Procedimiento del ajuste de la llama COMBUSTIÓN EN HOGARES SECUNDARIOS Y PRECALCINADORES

30 30

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Introducción La función del quemador es introducir el combustible en la zona de sinterización. La propagación del proceso de combustión depende, de que rápido el combustible llegue en contacto con el oxígeno. Por eso es la función esencial del quemador de regular este proceso de mezcla adecuadamente para conseguir la forma correcta de la llama. Este proceso debe tener lugar de modo que el calor esté liberado al lugar exacto sin producir cualquier efecto dañoso y sin producir excesivamente elementos polucionantes como el NOx, SOx y el CO. Como consecuencia cualquier optimización del proceso de combustión tiene que empezar con el ajuste correcto de la llama. Este informe describe como se ajusta la llama, que tipo de quemadores están disponibles y bajo que condiciones trabajan lo mejor. 1.

TERMINOLOGIA

• Aire Primario + aire secundario + aire falso = aire de combustión • Aire de combustión estequiométrica + aire de exceso = aire de combustión

Figura 1:

Terminología del aire de combustión

Cabezal

Tobera Quemador del horno Aire primario

Ventilador de aire primario Aire falso

Aire secundario Enfriador de clinker

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2.

QUEMADORES

2.1

Quemadores de un canal

2.1.1

Diseños de quemadores

El quemador de un canal es el diseño más simple de quemadores. Con éste tipo de quemador, polvo de carbón y todo el aire primario son inyectados juntos en un solo tubo. Usualmente este tipo se usa para hornos largos equipado con systema de combustión directa. Características de quemadores de un canal: •

Alta cantidad de aire primario (En combinación con sistema de combustión directa para el carbón hasta el 50% de aire primario)

•

Posibilidad muy limitada de formar la llama

•

Alta formación de NOx

•

Llama larga y estable Quemadores de un canal también pueden ser utilizados para quemar aceite pesado o para la combinación de carbón y aceite pesado (un canal adicional para la tobera de aceite en el centro)

Toberas cónicas del quemador se pueden utilizar para aumentar la velocidad de inyección. Figura 2:

Quemador de un canal

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2.1.2 Figuras claves para quemadores de un canal Rango recomendado del impulso específico axial (Gax) para quemadores de un canal

Gax = M: V: Q:

M (aire de transporte + combustible) ⋅ Vaire de transporte Q combustible

=6−7

N MW

Flujo de masa de aire de transporte + combustible (kg/s) Velocidad de inyección (m/s) Entrada calorífica (Poder calorífico por flujo de masas de combustible)

Eso corresponde con la vieja regla, que constata que la energía cinética de la corriente de aire primario de un quemador de un solo canal se debe mantener en ciertos limites:

(Velocidad aire primario)2 * (% aire primario) = 65'000 - 75'000

Aunque esta fórmula no da resultados óptimos en todos los casos, se hace posible una estimación aproximada de las dimensiones del quemador, si está presupuestada como a una segunda condición:

Velocidad de inyección del aire primario = 50 - 100 m/sec. (Valido solo para quemadores rectos sin swirl)

2.2

Quemadores de varios canales

2.2.1

Diseño de quemadores de varios canales

El diseño más simple de los quemadores es el quemador de un canal. Sin embargo, para la formación óptima de la llama, quemadores con llama ajustable son preferidos teniendo en cuenta que la calidad del carbón varia y que hay diferentes requerimientos del punto de vista de facilidad de cocción de la harina cruda. En esos quemadores el aire primario está usualmente dividido entre un componente axial y radial, con el carbón también introducido vía a un tubo anillado concéntrico. Esos quemadores se llaman quemadores de varios canales y usualmente son aptos para la combustión alterna o combinada de carbón, aceite pesado o hasta gas. El aire axial es inyectado en la dirección del eje del horno (similar a un quemador de un canal donde todo el aire es inyectado en dirección axial), el aire radial (o aire de rayado) es inyectado con una dirección hacia la coraza del horno.

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El componente de rayado o el aire radial está creando un flujo de aire, girando alrededor del eje del horno (similar a la rosca de un tornillo), que es empujando hacia fuera en dirección de la coraza. A raíz de que el canal de aire radial está ubicado dentro del canal del aire axial (ambos son canales anulares concéntricos), el aire radial está abriendo/ dilatando el flujo de aire axial. Un aumento del aire radial versus al aire axial crea una llama más corta, un aumento de aire axial versus aire radial crea una llama más larga. Aparte de la formación de la llama, el aire primario (especialmente el aire axial) también tiene que enfriar la caña del quemador. Un ejemplo típico de la primera generación de quemadores de varios canales es el “quemador Pillard 3 – canales” (fig. 3). Este quemador tiene el canal del carbón dentro del canal de aire axial y radial. Un problema reconocido con este tipo de quemadores es, que al acortar la llama tiende a producir una llama demasiado ancha. (Colisión de la llama con la pared del horno). Adicionalmente partículas gruesas de carbón (residuo en el tamiz de 200 micrones), pueden ser arrojadas de la corriente del aire primario por el aire radial. Esas partículas pueden causar condiciones reductoras en el lecho de clínker y una formación alta de NOx. Figura 3:

Quemador Convencional Pillard de 3 Canales

Aire axial

Carbon

Aire radial

Por eso una nueva generación de quemadores de varios canales está desarrollada. Con una construcción especial de los canales de aire primario, se pueden evitar mencionados efectos negativos por la creación de una zona de recirculación interna de la llama que es más homogénea y larga (capitulo 3.3.2). 2.2.2

Quemadores Pillard Rotaflam

El quemador Rotaflam está caracterizado por la ubicación del canal del carbón más hacia el centro del canal de aire axial y radial, como también por el estabilizador de la llama (bluffbody) en la sección transversal ampliada. Particularidad del Quemador Rotaflam:

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• •

Ventilador de aire primario con 250 mbar Ajustamiento separado de la sección transversal de la tobera para el aire axial y radial del quemador Conclusión del quemador Rotaflam: • Quemador muy flexible (ajustamiento posible en la sección transversal de la tobera). • Extensa y buena experiencia dentro del grupo Holcim. • Hay que especificar la cantidad de aire primario requerido (12%) cuando se solicita (capitulo 2.2.7.). ! El Rotaflam puede ser recomendado. Está instalado en la mayoría de los nuevos proyectos.

Figura 4:

2.2.3

Quemador Pillard Rotaflam

Quemador FLS Duoflex

El quemador Duoflex es caracterizado por la unión del aire axial y radial dentro del quemador preciso antes de la tobera como también por la sección transversal del centro enlargada (bluff-body / estabilizador de llama) Particularidad del Duoflex: • Ventilador de aire primario con 250 mbar • Ajustamiento posible de la sección transversal en la punta del quemador (solo la suma de aire radial y axial).

Conclusión del quemador Duoflex:

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•

Quemador flexible (ajustamiento posible en la sección transversal de la tobera) Por ahora no hay experiencia en el grupo Holcim (será instalado en Ramos Arizpe 2 / México) • FLS es un proveedor conocido con experiencia • Hay que especificar la cantidad de aire primario requerido (12%) cuando se solicita (capitulo 2.2.7.). ! El quemador Duoflex puede ser recomendado para nuevos proyectos. Figura 5:

2.2.4

Quemador FLS Duoflex

Quemador KHD Pyrojet

El quemador Pyrojet es caracterizado por el aire jet (chorro de aire). El aire jet está introducido con una velocidad casi transónica. Particularidad del Pyrojet: • Aire jet de aproximadamente 1000 mbar de presión del aire axial (soplador requerido). • No hay posibilidad de ajustar la sección transversal de la tobera. Conclusión del quemador Pyrojet : • El concepto no prevé la cantidad recomendada de aire primario (capitulo 2.2.7), además requiere un soplador grande que resulta en altos costos de operación. • Problemas mecánicos en la tobera del quemador (sellamiento) ! El Pyrojet no está recomendado a raíz de un momento y una relación de aire primario demasiado pequeño y la falta de ajustabilidad especialmente para quemar combustibles alternativos (AFR).

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Figura 6:

2.2.5

Quemador KHD Pyrojet

Quemador Unitherm M.A.S.

El quemador Unitherm es caracterizado por tener solo un canal de aire primario con rayado ajustable. Particularidad del quemador M.A.S.: • Nuevo concepto con un solo pero ajustable canal de aire primario. • El mecanismo de ajuste mecánico en la tobera del quemador está protegido con acero revestido y enfriado con todo el aire primario (según el proveedor ninguno de los quemadores falló en operación hasta hora). Conclusión del quemador M.AS: • Por ahora no hay una aplicación en el grupo Holcim • Se ofrece un negocio especial para el primer quemador en Holcim con el derecho de devolverlo después de un año • La cantidad requerida de aire primario(12%) como también la presión estática del ventilador deben ser especificadas cuando se adquiere (los valores de diseño son mucho más bajo). ! El quemador M.A.S. puede ser una alternativa interesante para un horno existente (tamaño medio).

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Figura 7:

2.2.6

Quemador Unitherm M.A.S.

Quemador Greco

El quemador Greco es caracterizado por la presión alta de aire primario y la inyección de carbón entre el aire axial y radial. Particularidad del quemador Greco: • Los materiales del quemador no son suministrados por parte de Greco. Solo se suministran planos mientras la fabricación tiene que ser hecho en un taller local o en la planta misma. • No hay posibilidad de ajustamiento en la sección transversal de la tobera. Conclusión del quemador Greco: • La mayoría de los quemadores Greco dentro del grupo Holcim ya no están en operación. • El concepto de un quemador hecho en casa normalmente no trabaja. • Soporte pobre fuera de Sur América. ! El quemador Greco no está recomendado en el momento por demasiados ejemplos negativos. Las únicas experiencias positivas son en países MERCOSUR.

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Figura 8:

2.2.7

Quemador Greco

Números claves de los quemadores de varios canales

1. Relación de aire primario: PA = 10 - 12% (basado en combustión estequiométrica; sin aire de transporte) 2. Momento axial especifico*: Gax = 7 – 10 N/MW (incluyendo combustible y aire de transporte) Para cumplir con este criterio una presión mínima de 200 mbar del ventilador de aire primario es requerido (mejor 250 mbar). 3. Grado de rayado *: S = 0.1 – 0.25 (max. 0.4) 4. Velocidad de inyección del carbón en la punta del quemador: v = 25 – 30 m/s Del punto de vista de ahorrar energía la relación de aire primario debe ser tan bajo como posible para recuperar al máximo aire secundario caliente, pero al otro lado la energía cinética del aire primario tiene que ser suficiente para proveer una buena mezcla entre el aire secundario, para asegurar una combustión rápida.

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La experiencia con “quemadores de poco aire primario” muestra que una relación de aire primario de 6 - 8% está en el limite técnico de cual bajo ya no es posible garantizar unas condiciones estables de combustión. Con una relación de aire primario de 6-8%, cualquier disturbio del proceso de combustión tiende a mover la combustión hacia la entrada del horno, produciendo temperaturas altas allá y una calidad pobre de clínker. Especialmente con el uso de combustible difíciles como coque de petróleo y AFR, suficiente aire primario y momento es un pre-requisito. Cuando requiere un nuevo quemador prevea canales adicionales en el centro para el futuro uso de AFR porque esos usualmente no se pueden implementar posteriormente en un quemador existente. *Las formulas para el cálculo del momento y del grado de rayado de un quemador son presentadas en el apéndice.

2.3

Atomizadores de aceite pesado (Búnker C)

Una vez que sea bien preparado en términos de filtrar, calentar y suministrar hacia el quemador con una presión y viscosidad constante, el aceite tiene que ser atomizado para una mezcla efectiva con el aire de combustión. Por eso se usan toberas atomizadoras. Esas toberas son ubicadas en el centro del quemador rodeado por la inyección de aire primario. La boquilla de aceite pesado está sobrepuesto en un tubo removible que es parte fija del quemador. Por eso la tobera atomizadora es retractable. La lanza con la cabeza atomizadora debe ser recogida del quemador siempre que no sea necesario, para evitar sobre calentamiento y cocción del aceite residual. Para la atomización del aceite pesado se utilizan diferentes principios: ♦ Atomización mecánica con diafragma fija y presión variable. ♦ Atomización mecánica con diafragma variable y presión constante. ♦ Atomización asistida por vapor o aire comprimido.

2.3.1

Atomizadores mecánicos con diafragma fija y presión variable.

Estos atomizadores son los más comunes para aceite pesado. Sin embargo el flujo de aceite está gobernado por la presión (dentro de un rango dado por la boquilla seleccionada). En esos atomizadores el flujo de aceite pesado es subdividido normalmente en la boquilla del atomizador en un flujo tangencial (también llamado circuito primario) y en el flujo axial (circuito secundario). Ajustando la presión y así las relaciones entre los dos componentes es posible de alterar el ángulo de dispersión del chorro de aceite. En general un incremento de la presión tangencial lleva a un remolino intensificado del aceite con el aire, que así tiene la tendencia de acortar la llama. La presión diferencial entre los dos flujos típicamente es en el rango de 0.5-2 bar (presión tangencial es mas alta). La presión total usualmente es alrededor de 40 bar. No obstante el control de la forma de la llama no solo es un resultado del ajuste del atomizador, sino también una función de control de aire primario. Figura 9 y 10 muestran dos atomizadores corrientes (Pillard y Unitherm) con flujo tangencial, axial y alternativamente un flujo revertido para arranques. En caso de flujo revertido el flujo axial se usa para devolver una porción de flujo tangencial hacia el tanque de

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almacenamiento, para obtener una alta velocidad de flujo y presión de aceite en la cabeza de la tobera (cámara de rayado) en contrario a la pequeña cantidad de aceite inyectado al horno (fase de arranque). Por eso la relación del margen de regulación se puede incrementar, aún con buena atomización. La relación practica del margen de regulación de ese tipo de atomizador es 1:5 (sin cambiar la pastilla). Como particularidad adicional, la longitud de la cámara de rayado es ajustable en el atomizador de tipo Unitherm. Es la máxima importancia para la operación de los atomizadores que las piezas de la cabeza del atomizador sean ensambladas correctamente y que las mangueras flexibles para el aceite primario y secundario entre el tren de válvulas de la plataforma y la lanza atomizadora sean conectadas correctamente. Fig. 11 (tobera Coen tri-tip) muestra un atomizador mecánico con diafragma fija sin flujo radial y axial. Figura 9:

Atomizador Pillard MYS

Aceite primario Aceite secundario

Figura 10:

Atomizador Unitherm

1 2 3 4 5

flujo de aceite tangencial flujo de aceite axial ranuras tangenciales camara de rayado pastilla

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Figura 11:

2.3.2

Atomizador Coen Tri-Tip

Atomizadores mecánicos con orificio variable y presión constante.

Este tipo de atomizadores emplea el principio de la válvula de aguja ajustable para el control de paso. Moviendo la aguja adelante y atrás, la sección transversal abierta del diafragma puede ser ajustado. Atomizadores de aguja ajustable sobre todo usa FLS. La presión de atomización se mantiene constante a 25 bar. El margen de regulación está limitado a 1:5 1:6. Figura 12:

Atomizador de Tipo FLS TFSM (principio de válvula de aguja) 1 = Ranuras tangenciales; 2 = Cámara de rayado

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2.3.3

Toberas con atomización asistida por medio de vapor o aire comprimido.

Este tipo de atomizador usa aire comprimido o vapor en vez de aceite tangencial para crear un intenso rayado enfrente de la pastilla. La ventaja de esos atomizadores es la mayor relación de regulación porque incluso pequeñas cantidades de aceite pueden ser atomizadas efectivamente con aire comprimido o vapor. Otra ventaja es que el aceite con impurezas sólidas puede ser atomizado también. La desventaja de esos atomizadores es que necesita cantidades significativas de aire comprimido o vapor. (Valor típico: 0.1 – 0.12 kg aire/vapor/ kg aceite).

Figura 13:

Atomizador Pillard con atomización asistida

Vapor Combustóleo + mezcle de vapor

2.4

Quemadores de gas natural

Un quemador de gas no necesariamente necesita aire primario porque la formación de la llama también se puede llevar a cabo dividiendo el flujo de gas en un componente axial y radial (Ejemplo KHD; capitulo 2.4.2.). No obstante la mayoría de los quemadores usan aire primario para la formación de la llama. Esos quemadores muchas veces son aptos para varios combustibles que pueden ser empleados para la combustión de carbón o aceite.

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2.4.1

Pillard Rotaflam KGD (quemadores de gas/carbón/aceite)

El quemador Rotaflam tipo uso múltiple está diseñando para la combustión separada o combinada de gas, carbón y aceite. Formación de la llama se consigue con un canal separado de aire axial y radial. Arreglo de los canales (de afuera hacia dentro): ♦ Aire axial ♦ Aire radial o de rayado ♦ Canal de gas ♦ Canal de carbón ♦ Aire central / estabilizador de llama ♦ Caña removible para atomizadores de aceite en el centro. Figura 14:

2.4.2

Quemador Pillard KGD gas / carbón / aceite

KHD Quemador de Gas

En este quemador no se usa aire primario. Mas bien requiere una alta presión de suministro de gas (3-5 bar), porque todo el momento del quemador tiene que prevenir del flujo de gas. Se usa en varios hornos desde hace mucho tiempo. Arreglo de los canales (de afuera hacia dentro) ♦ Canal de gas Axial ♦ Canal de gas Radial en el centro

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Figura 15:

2.4.3

Quemador de gas KHD

FLS Duoflex

El diseño del quemador de gas Duoflex está basado en un quemador Duoflex común y corriente para carbón y aceite. En lugar de una placa aireada central se utiliza una tobera de gas. Arreglo de los Canales (de afuera hacia adentro): ♦ Aire primario (suma de aire axial y radial) ♦ Aire central ♦ Gas “radial” ♦ Gas axial con control de “válvula de aguja” en el centro del cono. Figura 16:

Quemador de gas Duoflex

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3.

LLAMAS

3.1

Efectos de una pobre combustión

Efectos de una Pobre combustión: ♦ Una costra inestable, en particular en la zona de transición, reduce la vida útil del revestimiento. ♦ Combustión incompleta y una atmósfera reductora local incrementa la volatilización de azufre y la formación de encrustamientos en la zona del precalentador y la entrada del horno. Así mismo se crea un ciclo de polvo mucho más alto que mueve todo el perfil de temperaturas hacia la entrada del horno. ♦ Con una formación alta de CO crea una combustión secundaria en la entrada del horno que produce la formación de anillos. ♦ Como resultado el horno no puede ser operado a la producción máxima. El consumo calorífico específico incrementa y la eficiencia baja. ! Baja disponibilidad y producción y por eso un bajo OEE consecutivamente Por eso la optimización de proceso de combustión tiene que empezar con el ajuste correcto de la llama.

3.2

La llama “ideal”

La llama "ideal" puede prevenir, o por lo menos mantener en ciertos limites los problemas de operación mencionados anteriormente. La llama es estable en toda la zona de combustión. ♦ Por una mezcla continua de aire secundario caliente en toda la zona de sinterización. Por eso la combustión puede tener lugar de forma controlada en toda la longitud de la llama. ♦ No se forman picos locales de temperaturas altas. ♦ No se desarrollan zonas reductoras locales sobre el lecho de clínker ♦ La combustión total está terminada al fin de la zona de cocción. Adicionalmente esta “llama ideal” se debe obtener con la mínima formación de NOx. 3.3

Características de las llamas de diferentes sistemas de quemadores

3.3.1

Quemador de un canal

Los quemadores de un canal tienden a producir una llama axial sin una recirculación interna. El calentamiento del combustible hasta el punto de inflamación está predominada por la recirculación externa de gases calientes de combustión. Figura 17:

Forma de la llama de un quemador de un canal

Efectos: ♦ Zona larga de sinterización ♦ Alto tiempo de retención de la carga del horno en la zona caliente y por eso una alta volatilización de azufre (muy apropiado para la producción de clínker bajo de álcalis). © Holcim Group Support Ltd., 2001

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♦ Alta formación de NOx Con una relación constante de aire primario, la longitud de la llama llega a un mínimo para una velocidad dada de aire primario. Si la velocidad está aumentada aún más la corriente de aire primario desarrolla un efecto excesivo de succión que resulta en un flujo revertido de gases de humo. El gas recirculando está diluyendo el aire secundario tanto que la llama otra vez se alarga. Por el rango recomendado del impulso axial específico vea capitulo, 2.1. No obstante la óptima formación de la llama en cuestión de exigencias a necesidades variables de producción, quemadores de llama ajustable (quemadores de varios canales) son preferidos.

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3.3.2

Quemadores de varios canales

Quemadores de varios canales pueden producir una llama divergente con zonas recirculadoras internas y externas. La posibilidad de cambiar la relación entre aire axial y radial provee un mecanismo de control importante para influir la forma de llama. Un cono vacío está producido, que puede ser modificado ajustando la presión, el flujo y la sección transversal de la tobera del quemador del aire radial y axial (Fig. 18). En la primera generación del quemador de varios canales (por eje. Pillard 3-canales) hubo ciertos efectos negativos en la formación de la llama, si se usaba una alta relación de aire radial. Dos diferentes zonas de la llama pueden aparecer: ♦ En la primera zona con recirculación interna hay una combustión intensa. Dependiendo del flujo de aire radial, se centrifugan partículas gruesas hacia el exterior de la llama, que se queman rápidamente en la atmósfera rica en oxigeno del aire secundario caliente. ♦ En una segunda zona que es larga e inestable y que es dominado por la recirculación externa, la combustión total está terminada. Efectos: ♦ Temperaturas picos en la zona recirculadora interna. ♦ Con llamas muy divergentes ocurren problemas con el refractario. ♦ La formación de CO sobre el lecho de clínker causado por la combustión incompleta del chorro de combustible. ♦ Formación de costra inestable en una zona de transición larga causado por una inestable y enlargada zona de combustión ♦ Formación alta de NOx causado por un tiempo enlargada por un alto tiempo de retención de los gases a temperaturas altas. ♦ Alta volatilización de azufre a raíz de la zona reductora encima del lecho de clínker y el alto tiempo de retención a temperaturas relativamente altas. Se optimizaron los modernos quemadores de varios canales de tal forma que éste efecto sea evitado en la mayoría de los casos. El arreglo especial en la construcción de los canales de aire primario hace la zona de recirculación interna más larga y homogénea. Eso reduce la longitud de la zona de combustión con recirculación externa. Para una mezcla más rápida entre aire primario con el combustible, esos quemadores tienen un estabilizador de la llama enlargada de forma de un bluff-body en el centro. Figura 18:

Forma de la llama de quemadores modernos de varios canales

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Macromezcla completa

Concentración máxima de carbón Aire primario + carbón

Quemador de varios canales Llama divergente

Aire secundario

Efectos: ♦ Distribución homogénea de la temperatura sin picos excesivos de la temperatura. ♦ Poca volatilización de álcalis y azufre. ♦ Zona recirculadora homogénea y por eso menor formación de NOx.

3.4

Factores influyendo la llama

En la mayoría de los casos la operación más favorable se consigue mejor con una llama corta caliente y estable dando una transmisión alta de calor hacia el lecho de clínker y una zona de cocción estable y corta. La forma de la llama se puede optimizar durante operación ajustando los siguientes parámetros: 3.4.1

Ajustes de aire primario

Se consigue normalmente un acortamiento de la llama por: • Incrementar la velocidad de la inyección (y así del momento)del aire primario. • Incrementar la cantidad del aire radial • Incrementar la cantidad del aire primario 3.4.2

Posición del quemador en el horno

Una de las influencias mas pronunciadas a la longitud de la llama es la posición de la tobera del quemador:

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Moviendo el quemador hacia dentro del horno incrementa la longitud de la llama significativamente y viceversa. Eso es a raíz del campo de turbulencia creado por la entrada de aire secundario que intensifica significativamente la mezcla entre el aire secundario con el flujo de combustibles y el aire primario. En hornos con enfriadores planetarios éste efecto es menos notable como la posición de la tobera del quemador es definida por la zona de enfriamiento interno del horno. Recomendaciones para la posición de la tobera del quemador (excepto para enfriadores planetarios): •

•

Hornos con precalentador: Distancia entre salida del horno – boquilla del quemador ≤ 1 m (para coque de petróleo 0 m o hasta afuera del horno) Hornos largos de vía húmeda y seca: Distancia entre salida del horno - tobera del quemador aproximadamente 1 m o un poco menos.

Si la tobera del quemador es demasiado cerca a la salida del horno, de vez en cuando ocurre un sobrecalentamiento del cierre estanco y la formación de hombres de nieve en el enfriador.

3.4.3

Alineación del quemador en el horno

Básicamente el quemador debe ser alineado paralelo del eje del horno. En un horno frío el quemador debe apuntar hasta un poco arriba (especialmente para quemadores largos con enfriadores planetarios), para compensar el doblamiento hacia abajo en el horno caliente. Si el quemador está alineado horizontalmente que es observado frecuentemente (el eje del horno tiene un ángulo de aproximadamente 3%), la llama tiende a llegar hacia el lecho de material. Se crea una atmósfera reductora local que resulta en una alta volatilización de azufre. 3.4.4

Temperatura del aire secundario

La temperatura de aire secundario define antes que todo el comportamiento de ignición de la llama (pluma negra) y, enseguida la posible temperatura de la llama. Una temperatura insuficiente de aire secundario, hay que compensarlo con combustible que significa un incremento de la cantidad de gases de combustión y un enlargamiento del perfil de temperaturas. De este punto de vista la operación del enfriador es uno de los factores que más influye la llama. 3.4.5

Aire de exceso

Se requiere cierta cantidad de aire de exceso por una combustión completa. Operando con demasiado poco aire de exceso incrementa el tiempo de combustión y por eso aumenta la longitud de la llama. Eso puede crear una atmósfera reductora que aumenta la volatilidad de © Holcim Group Support Ltd., 2001

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azufre y eso lleva a problemas de atascamiento en el precalentador. Si el aire de exceso es significativamente más alto que el valor óptimo, el perfil de temperaturas se extiende también a raíz de una llama demasiado larga. Eso resulta en un gradiente de temperatura insuficiente hacia el lecho del material y una zona de sinterización enlargada. 3.4.6

Interacción llama- lecho de material

Como la transferencia de calor desde la llama hacia el lecho de material en la zona de sinterización es casi enteramente por radiación, los factores claves efectuando la transferencia de calor son la temperatura y la emisividad de la llama. Si la radiación hacia el lecho de clínker está reducido a raíz de una atmósfera polvorosa en el horno, un perfil de temperatura enlargada y así una larga zona de sinterización está producido. En esta posición el polvo está sobrecalentado en la llama y a menudo depositado en la zona de transición o hasta mas arriba del horno causando la formación de anillos. Posibilidades de corregir este efecto incluyen todas las medidas que sirva para mejorar la granulométria del clínker (por eje.: ajustes en el diseño de la harina cruda). 3.4.7 ♦

Características del carbón pulverizado

Contenido de elementos volátiles: El tiempo de combustión de carbón pulverizado incrementa con un contenido de elementos volátiles disminuido, por eso un carbón pobre de volátiles tiene un tiempo de combustión y distancia de ignición más largo que un carbón bituminoso.

♦

Finura de moler: El tiempo de combustión de una partícula de polvo de carbón incrementa aproximadamente con la raíz de su diámetro. El tiempo de combustión de un grano de carbón incrementa si el contenido de volátiles disminuye. Por eso carbón bajo en volátiles tiene que ser molido mas fino en orden de quemarlo dentro del tiempo deseado, por ejemplo para producir una longitud deseada de la llama. Recomendaciones para la óptima finura: "Firing Systems - Handling and Preparation of Noble Fuels”; HGRS/TPT reporte no. TPT 01/21062/E

♦

Contenido de cenizas: Un alto contenido de materiales residuos (cenizas) tiene un efecto retardando al tiempo de combustión causado por la concentración reducido de polvo de carbón y de la menor temperatura de la llama como resultado de la absorción de calor por el material residual.

♦

Relación de expansión: Más grande que sea la expansión del grano del carbón durante el calentamiento en la llama más corto será el tiempo de combustión. Sin embargo el índice de inflarse no tiene significado práctico para los hornos de cemento.

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3.4.8

Ajustamiento de una llama de aceite pesado:

Una combustión más rápida se puede obtener por: ♦ Bajando la viscosidad del aceite, así incrementando la temperatura del aceite (recomendaciones para la temperatura óptima del aceite: "Firing Systems - Handling and Preparation of Noble Fuels"; HMC/TPT reporte no. TPT 01/21062/E) ♦ Ajustamiento del atomizador (por eje. incrementar la presión de aceite primario; capítulo 2.3) 3.4.9

Ajustamiento de llamas de gas natural

El requerimiento principal de quemadores de gas natural es la posibilidad de producir una zona de flujo revertido en el centro de la llama para obtener localmente, dentro de la llama, una atmósfera reductora donde se aglomeran moléculas hidrocarbúricas a cadenas largas. Eso es necesario para incrementar la emisividad de la llama de gas que es un pre-requisito para la transferencia de calor en la zona de sinterización. Ajustando la forma de la llama visualmente es casi imposible como los perfiles claramente definidos son apenas reconocibles. La optimización de la forma de la llama se debe hacer según los indicadores de combustión (vea capítulo 3.5). 3.4.10

Combustión de combustibles poco reactivos

Para mejorar la combustión de combustibles poco reactivos como coque de petróleo o antracita una pequeña cantidad de combustible liquida puede ser usado para acelerar la ignición y así la combustión completa (dicho” llama de piloto”).

3.4.11

Enriquecimiento de oxígeno

Agregando oxígeno puro al aire de combustión, se puede aumentar la temperatura de la llama. Al mismo tiempo la cantidad específica de los gases de escape es disminuido. Por eso baja las pérdidas energéticas de los gases de escape y eso permite incrementar la capacidad de la producción del horno. Las desventajas son los costos altos de oxígeno, la formación más alta de NOx y la eficiencia disminuida del enfriador.

3.5

Indicadores de combustión

Uno de los problemas principales en la evaluación de la llama es que en un horno rotativo es posible observar la llama solamente a un extenso limitado. Pero de todas formas hay un número de indicadores que pueden proveer mucha más información sobre la calidad de la llama que por simple observación visual. En lo siguiente los indicadores más importantes de operación (indicadores de combustión) con relación directa a los parámetros de combustión son discutidos: ♦ Calidad de clínker: - Cal libre © Holcim Group Support Ltd., 2001

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- Microscopía de clínker - Prueba de Magotteaux - SO3 ♦ Temperatura de la zona de sinterización: - Pirómetro - Amperaje del accionamiento del horno - NOx - Inclinación del lecho de clínker ♦ Formación de costra en el horno: - Perfil de temperaturas de la virola del horno - Extensión de la costra fija - Estabilidad de la costra - Formación de anillos ♦ Composición del gas de escape - CO - O2 ♦ Temperatura de la entrada del horno ♦ Volatilización de azufre - SO3 en la harina caliente - Volatilización de SO3 - Encrustamientos en la entrada del horno y del precalentador. 3.5.1

Calidad de clínker

El indicador más importante para juzgar la calidad de combustión es la calidad del clínker: ♦ Cal libre: La cal libre es el parámetro de calidad más importante para juzgar el grado de cocción del clínker. En el pasado especialmente en hornos Lepol y hornos largos húmedos, el peso litro frecuentemente fue usado en vez de la cal libre a raíz de la determinación más simple. Para hornos con precalentadores modernos el peso litro es un indicador pobre del grado de cocción. Para juzgar la utilidad de la medición del peso litro para el control del horno, el peso litro tiene que tener una relación a la cal libre. Si no hay una relación clara el peso litro no se puede utilizar para el control del horno. ♦ Microscopía del clínker: La microscopía puede relevar informaciones importantes sobre las condiciones de cocción como por ejemplo condiciones reductoras en el horno. ♦ Prueba de Magotteaux: La prueba de Magotteaux es un ensayo simple y rápido para detectar condiciones reductoras durante el proceso de combustión. Clinker molido es mezclado con un liquido especial que indica condiciones reductoras a través de un cambio de color.

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♦ SO3 en el clínker: Una disminución de la concentración de SO3 en el clínker (asumiendo una entrada constante de azufre) indica un sobrecalentamiento o zona reductora. 3.5.2

Temperatura de zona de sinterización

Información sobre la temperatura en la zona de sinterización se puede obtener con: ♦ Pirómetro Midiendo la temperatura del lecho de clínker bajo de la llama usando un pirómetro de radiación. ♦ Amperaje del horno: Un cambio en el consumo eléctrico (amperaje o kilovatios) del accionamiento del horno es un indicador para la temperatura de la zona de sinterización y así del grado de cocción. Un aumento del consumo eléctrico del accionamiento indica una zona de sinterización más caliente. ♦ NOx: Más alta que sea la concentración de NOx en los gases de escape del horno más caliente es la llama y la zona de sinterización. En caso de un hogar secundario o de un hogar de precalcinación la concentración de NOx debe ser medido en la entrada del horno porque la concentración después del precalentador está influido fuertemente por el hogar secundario o el hogar de la calcinación. ♦ Inclinación del lecho de clínker: La inclinación del lecho de clínker en el horno (ángulo del material contra la horizontal) es un indicador para la temperatura de la zona de sinterización y por eso el grado de cocción. Más caliente que sea el lecho de clínker más pegajoso será el material y más alto la inclinación del lecho. Es de anotar que todas las mediciones mencionadas arriba no proveen una temperatura absoluta, si no son indicadores relativos y que el nivel de NOx depende fuertemente de las características de la llama (vea capitulo, 3.6). 3.5.3

Formación de costra

♦ Perfil de la temperatura de la virola y longitud de la costra fija: La longitud de la zona de sinterización es un indicador para la longitud y el perfil de la temperatura de la llama. La formación de la costra se puede determinar indirectamente, midiendo el perfil de la temperatura de la virola o midiendo directamente la longitud de la costra fija dentro del horno durante una parada. La influencia de los ajustes al quemador para la formación de la costra puede ser comprobada grabando el perfil de la temperatura de la virola antes y después a cualquier cambio al quemador. Guía para la longitud de la costra: 5-6 x Dhorno = bien; 7-8 x Dhorno = llama larga ♦ Estabilidad de la costra: La estabilidad de la costra especialmente en la zona de transición superior es un indicador para la estabilidad de la llama. Una llama inestable resulta en una costra cayendo y formando continuamente que es peligroso para el refractario. ♦ Formación de anillos: La formación de anillos en el horno puede ser un indicador para una combustión pobre o una llama demasiado larga.

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3.5.4

Análisis de los gases del escape

El análisis de los gases en la entrada del horno suministra información importante sobre que completa es la combustión. ♦ Meta de oxígeno en la entrada del horno Hornos con calcinador: 3-4% Hornos con solo precalentador: 2% (si se emplea un hogar secundario la meta de O2 tiene que ser suficientemente alto para suministrar el oxigeno necesario para la combustión del combustible secundario). ♦ CO: Buena cauterización: CO entrada del horno < 0.05% (500 ppm) Niveles de CO demasiado alto no solamente causan pérdidas de energía si no también incrementan la volatilización de azufre y por eso problemas de atascamientos y encrustamientos. 3.5.5

Temperatura en la entrada del horno

En caso de hornos con un precalentador de ciclones la temperatura en la entrada del horno da información sobre la longitud de la llama y una combustión retardada. El objetivo es tener la temperatura en la entrada del horno tan bajo como sea posible. ♦ Temperaturas en la entrada del horno encima de 1100°C puede ser un indicador por una llama demasiado larga. En hornos con (L/D < 12) temperaturas más altas pueden ser convenientes. 3.5.6

Volatilización de SO3

La llama tiene una influencia importante al comportamiento de SO3 en el horno. Eso está gobernado por factores como el tiempo retenido del material en la zona caliente (longitud de la llama) condiciones locales reductoras y el exceso de aire.

♦ Incrustaciones en la entrada del horno y precalentador: Incrustaciones y atascamiento de ciclones pueden ser indicadores que hay problemas de combustión. El juicio de las causas está hecho por el análisis de la harina caliente y la determinación de la volatilidad de SO3. ♦ Concentración de SO3 en la harina caliente: El enriquecimiento de azufre en la harina caliente es un indicador importante para la combustión. Para juzgar los limites es importante considerar también la concentración de cloro en la harina caliente.

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Figura 19:

Combinación de SO3 y Cl en la harina caliente

% Cl

2.0 Se

1.4 1.0 0.8

inc rem ent an

No h a

0

Ata sca mie nt

y pe

os frec u

pro ble m

as c o

gad uras

1.0

ent es

np ega dur as

% SO3 2.0

3.0 2.5

4.0 3.75

5.0

♦ Volatilidad de SO3: φSO3 > 0.7 indica un problema de combustión (φ = 1 – calimentacion/ charina caliente; c = concentración) Figura 20:

Influencia de la temperatura y del O2 a la volatilidad del azufre

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3.6

Formación de NOx

La formación de NOx es dominada por temperaturas máximas como también por la cantidad de aire introducido hacia la corriente de combustible primario en el momento de ignición. Medidas de la reducción primaria de NOx (quemado principal) son deducidas esencialmente por los siguientes hechos: ♦ Frente de la llama cerca al quemador (distancia corta de ignición). ♦ Formación de la llama con la meta de evitar picos de temperaturas máximas con una llama al mismo tiempo más corta. ♦ Bajar la temperatura de combustión (incrementar la meta de cal libre, una operación suave del horno / LINKman, evitar cocción exagerada y cambios en la mezcla del crudo). ♦ Relaciones bajas de aire primario. Nota: Una relación de aire primario demasiado baja tiene consecuencias claramente negativas a la operación del horno. La emisión mínima de NOx que es técnicamente factible con medidas relacionadas al quemador principal es de la magnitud en el orden de 800 a 1'000 mg/Nm3. Una reducción adicional de NOx requiere medidas secundarias adicionales (por ej.: Tecnología de SNCR).

3.7

Procedimiento del ajuste de la llama

1. Sigue las instrucciones de operación del proveedor para un ajuste mediano de la llama. 2. Espere hasta que el horno sea estable antes de hacer cualquier ajuste. 3. Ajuste progresivamente un parámetro al tiempo (por eje.: Aire axial y radial, presión y temperatura de aceite) y observa los indicadores de combustión respectivos. El horno reacciona lentamente cualquier cambio. Puede necesitar hasta unos días para llegar a nuevas condiciones estables. ¡ Por eso es inútil intentar ajustar la llama durante un turno! Atención: El canal de aire axial sirve también para enfriar la cana del quemador. Siempre mantenga un mínimo de 1% de aire primario para el aire axial. 4. No es recomendable operar el horno con la llama mas corta posible. Se debe mantener un margen de seguridad para el ajuste en ambas direcciones, para controlar disturbios en la zona de sinterización.

4.

COMBUSTIÓN EN HOGARES SECUNDARIOS Y PRECALCINADORES

Combustión en Hogares Secundarios y Precalcinadores Las condiciones de combustión en hogares secundarios o en Precalcinadores son bastante diferentes como al hogar del quemador principal. ♦ En la mayoría de los casos la combustión tiene lugar en una mezcla de gas de escape y de aire en vez de aire puro (excepto en calcinadores de línea separada y cámaras de precombustion). ♦ La combustión tiene lugar en una atmósfera con mucho polvo (harina cruda) ❏

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♦ El rango de la temperatura es solo 1000°C en vez de 2000°C A raíz de las condiciones de combustión menos favorables puede resultar una combustión incompleta. A parte de CO, combustión incompleta produce también esqueletos de carbón y CH4, que ambos no pueden ser detectados con analizadores de CO. Otros avisos para una combustión incompleta en el precalentador son: ♦ Temperaturas más altas en el ciclón inferior que en la salida del precalcinador. ♦ Una perdida de temperaturas muy moderada sobre las dos tapas más bajas del precalcinador. Ambos indican una postcombustión en el precalentador. Eso resulta en una temperatura elevada del gas del escape y un consumo energético incrementado como también en problemas de encrustamientos. Medidas para mejorar: ♦ Proveer suficiente tiempo de retención del gas en el precalentador. ♦ Moler el carbón a la finura requerida. ♦ Evitar fluctuaciones en la alimentación del combustible.

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REFERENCIAS 1) "Firing Systems" VA 82/4898/E 2) "Flames and Burners" VA 93/4056/E 3) "State of Technology of Rotary Kiln Burners" F. Schneider, PT 96/14078/E 4) W.L. van de Kamp / J.P. Smart IFRF Research Report CEMFLAM1 "The effect of burner design and operation and fuel type of cement kiln flames"

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APENDICE Formulas y Definiciones para el Calculo del Momento del Quemador y el Grado de Rayado Aire Primario /Aire de Combustión: Consumo térmico del horno

Q

[MJ/kgcli] 3

Aire mínimo de combustión 0.26 x q Amin.

[Nm /kgcli]

Buena aproximación para combustibles comunes

Aire total de combustión A n x Amin.

[Nm3/kgcli]

n = factor de exceso de aire, n>1

Exceso de aire de combustión

Amin. x (n-1)

[Nm3/kgcli]

Relación de aire primario

Expresado en % de Amin.

[%A min.]

Nota: Para obtener una baja relación de aire primario los proveedores de quemadores usualmente relacionan el aire primario con el aire total de combustión total. Geometría del Quemador Los siguientes cálculos de la geometría del quemador son basados en los símbolos y unidades definidos abajo: ri reg. i Gx Gx.i Gax Gt Mi Qcomb. Sb vi.ax vsw.tan

Radio del canal I del quemador Radio equivalente del canal I Momento axial Momento axial de canal I Momento axial específico Momento tangencial Flujo de masas por el canal I Entrada de calor calorífico Grado de rayado Velocidad axial en el canal I Velocidad tangencial del canal radial

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[m] [m] [N] [N] [N/MW] [N] [kg/s] [MW] [-] [m/s] [m/s]

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Figure A:

Geometría Típica del Quemador

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Quemador de un canal: Momento axial específico total por el quemador [N/MW]:

G ax =

M(

tr + c

Q

) × v tr  N   MW 

comb

Quemadores de varios canales: Momento axial especifico total por el quemador [N/MW]:

Gax =

(M

sw

× vsw,ax + M (tr +c ) × vtr + M ax × vax ,ax )  N   MW  Qcomb

Grado de rayado: grado de rayado =

Sb =

[ ] [ ] [−] Σ(momento axial[N ] × radio caracteristico del canal[m])

momento tangencial N × radio caracteristico de rayado m

Gt [N ] × req .sw [m ]

Σ G xi [N ]× req.i [m]

[−]

Un método común para el cálculo del radio característico o radio equivalente es determinar el radio giratorio de cada sección transversal de los canales individuales (Mathur y Maccallun 1967):

req .i

( (

) )

2 × r2 − r1 [m] = 2 2 3 × r2 − r1 3

3

Para un quemador típico de varios canales para carbón con aire axial, radial y de transporte el grado de rayado puede ser calculado según la siguiente formula:

Sb =

Msw × vsw, tan × req.sw M ax × vax × req.ax + M (tr + c ) × vtr × req.tr + M sw × v sw,ax × req.sw

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[−]

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