Componentes

Combustión y calefacción

El objetivo del sistema de combustión es convertir completamente el carbono, el hidrógeno y posiblemente el azufre del combustible en CO₂, H₂O y SO₂. Para que la combustión sea lo más limpia posible, debe existir en la cámara de combustión la proporción correcta de mezcla de combustible y aire de combustión en el momento y lugar adecuados.

Para ello, en las calderas pirotubulares se utiliza casi exclusivamente la combustión presurizada. Esto significa que el ventilador del aire de combustión debe proporcionar la presión positiva necesaria para vencer la resistencia de 5 – ≤ 50 mbar causada por la caldera y, si está instalado, el intercambiador de calor situado aguas abajo. Por lo tanto, siempre existe una ligera presión positiva en la cámara de combustión.

Información técnica: requisitos para un sistema de quemadores in situ

Combustibles

El gas natural y el fuelóleo siguen siendo los combustibles más utilizados. En función del modo de funcionamiento de la caldera de vapor, la potencia requerida o los requisitos de nivel de emisiones, cada uno de estos combustibles estándar ofrece distintas ventajas y es adecuado para diferentes aplicaciones.

Info sobre Criterios de selección entre fuelóleo y gas natural

La combinación correcta de combustible, equipo de combustión y cámara de combustión es especialmente decisiva para conseguir una combustión lo más limpia posible.

Además de los combustibles estándar, en las calderas pirotubulares también pueden utilizarse distintos combustibles gaseosos y líquidos. Dependiendo del combustible, esto es fácil de implementar o puede requerir un gran esfuerzo. En cualquier caso, el uso de estos combustibles debe estudiarse detenidamente en la fase de proyecto, ya que, además de una mayor inversión, a veces es necesario un control y un mantenimiento más estrictos durante el funcionamiento.

Info sobre Otros combustibles

Ejemplos de combustibles especiales líquidos:

• Biodiésel
• Grasa animal
• Aceite de canola
• Aceite de soja
• Aceite de palma/grasa

Ejemplos de combustibles especiales gaseosos:

• Biogás
• Biogás natural
• Gas de aguas residuales
• Gas procedente de la gasificación de biomasa
• Gases naturales enriquecidos con hidrógeno

La combustión de estos combustibles puede adoptar la forma de combustión de combustible auxiliar individual, por ejemplo, cuando se utiliza un quemador de doble combustible con gas natural y un combustible especial líquido, o como combustión proporcional, por ejemplo, gas natural con biogás.

Variantes del ventilador de los sistemas de combustión

Quemador monobloque

Representación en sección de un quemador monobloque (Weishaupt)

Los sistemas de combustión en los que el ventilador del aire de combustión está integrado directamente en la carcasa del quemador se denominan quemadores monobloque o de chorro a presión. Este sistema de quemador es adecuado para fuelóleo, combustibles gaseosos y también como sistema combinado en el que es posible cambiar directamente entre la combustión de gas y la de gasóleo. La ventaja más evidente de los quemadores monobloque es su compacidad y, por tanto, su diseño favorable, y también que todos los sistemas del sistema de combustión pueden montarse directamente en la caldera ahorrando espacio. Los quemadores monobloque pueden utilizarse hasta una potencia de combustión de unos 10 MW. Sin embargo, no son adecuados para su uso con un sistema de precalentamiento del aire.

Sistemas de combustión de combustibles líquidos

A continuación se describen los términos más importantes y las características distintivas de los sistemas de combustión y los equipos necesarios.

Atomizador de presión

Imagen y representación seccional de un quemador de petróleo (Weishaupt)

Con la atomización presurizada, el aceite es guiado a través de una boquilla y descargado como una fina pulverización en la cámara de combustión. Las presiones de precarga en la entrada de aceite deben ser de aproximadamente 6 – 30 bar. Cuando el chorro de aceite sale de la tobera, se forman finas gotas de aceite con una gran sección transversal de reacción. El requisito previo para ello es que la viscosidad del combustible esté dentro del intervalo de 5 – 8mm²/s. Si este no es el caso a temperatura ambiente, el gasóleo debe precalentarse.

El quemador puede controlarse de diferentes maneras. En los quemadores escalonados, se instalan varias boquillas en el cabezal del quemador. En función de la potencia requerida, las boquillas se conectan o desconectan activando electroválvulas. Existen quemadores con hasta tres boquillas.

Los quemadores atomizadores de retorno se utilizan para poder regular la potencia de forma continua. Para ello una válvula en el retorno del fuelóleo regula la cantidad de combustible que entra en la cámara de combustión.

Esta válvula se activa en combinación con la posición de la compuerta de aire de combustión.

Atomizador rotativo

Suministro de aceite

Módulo de suministro de aceite OSM

El módulo de suministro de aceite bombea el combustible desde el depósito de almacenamiento de aceite que está instalado fuera de la sala de calderas a través de la línea de anillo de aceite hasta los módulos individuales de circulación de aceite que abastecen individualmente a cada quemador de aceite.

Está premontado como estación simple o doble con reserva del 100 % para garantizar la seguridad del suministro, también en caso de cambio del filtro de aceite, con todas las válvulas en un cárter de aceite para facilitar la instalación en la línea anular.

Módulo de regulación de la presión del aceite ORM

La finalidad del módulo de regulación de la presión de aceite es establecer una presión de aceite constante en el flujo de la línea del anillo de aceite. Consta de un regulador de presión del aceite, válvulas de cierre aguas arriba y aguas abajo que permiten retirar el regulador de presión del aceite, un indicador de presión (PI) y una válvula de derivación. Se integra siempre aguas abajo del último ramal que alimenta el quemador.

Módulo de circulación de aceite OCM

El módulo de circulación de aceite prepara los combustibles líquidos mediante filtración y separación de aire y mide el caudal de aceite. Está diseñado para quemadores de chorro a presión de fuelóleo ligero y pesado equipados con sistema atomizador de flujo de retorno y se instala como unidad lista para usar que incluye carcasa para cada quemador en las líneas anulares con una presión de precarga de ≥ 1.5 bar.

El módulo contiene un depósito de aceite con dos cámaras que suministra aceite directamente al quemador y recibe la cantidad de retorno del quemador. Las tuberías pueden conectarse directamente a las mangueras de aceite del quemador.

Incluye una válvula de filtro (FI), un caudalímetro de aceite, válvulas de cierre, una válvula de seguridad de sobrepresión, una válvula de cierre de ventilación y un tapón de drenaje. En caso de funcionamiento con fuelóleo pesado, también se instala aislamiento bajo el revestimiento metálico.

Módulo de precalentamiento de aceite OPM

Cuando se utilizan aceites medios y pesados como combustible, deben precalentarse porque a temperatura ambiente no tienen las características de fluidez necesarias para la atomización. El aceite debe precalentarse para reducir la viscosidad. Dependiendo de la marca del quemador y del combustible, el calentamiento hasta una temperatura de 100 – 180°C para garantizar una combustión fiable.

El combustible se calienta mediante un intercambiador de calor con haz de tubos extensible que puede funcionar con vapor o con una combinación de calentamiento por vapor y calentador eléctrico. Debe garantizarse que todas las tuberías y válvulas dispongan también de calefacción de trazado. En la puesta en marcha, el aceite se calienta inicialmente con electricidad y, durante el funcionamiento continuo, se calienta con vapor hasta alcanzar una temperatura constante a través de la válvula de control de temperatura (TC). El módulo está premontado y listo para su uso, incluido el control de calefacción, el aislamiento térmico y todas las válvulas.

Sistemas de combustión de combustibles gaseosos

Hoy en día, el gas natural está disponible en la mayoría de los lugares y suele costar menos que el aceite. La cuota de mercado de los sistemas de combustión de gas solo ha aumentado en los últimos años.

Info sobre Criterios de selección entre fuelóleo y gas natural

Además de la ventaja económica, utilizar gas como combustible tiene otras ventajas:

• Sin almacenamiento de combustible
• Menos suciedad en las superficies de calefacción
• Menos propenso a averías
• Menos emisiones de NO_x y CO₂
• Uso más sencillo de la tecnología de condensación

Suministro de gas

Ejemplo de representación esquemática de la combustión de gas (alimentación a alta presión)

Módulo de regulación de gas GRM

El módulo de regulación de gas contiene todos los equipos de control y seguridad necesarios para una combustión segura y sin fallos. En particular, el suministro de gas y aire se ajusta mediante un control integrado electrónico o neumático de modo que en todos los puntos de carga exista la relación correcta de combustible/aire para una combustión completa, segura y eficiente en la cámara de combustión.

El regulador de presión de gas garantiza una presión de gas uniforme antes del quemador, sin importar las variaciones de las presiones de precarga. Si se modificara la presión del gas, cambiaría la relación gas/aire en el quemador y se produciría una llama inestable o una combustión que conduciría a la acumulación de hollín y a la formación de CO. Si existe la posibilidad de que la presión de gas aguas arriba controlada supere la presión de operación admisible de los componentes del tren de gas, deberá instalarse una válvula de cierre de seguridad y una válvula de seguridad antes de la unidad de control.

Los presostatos controlan la presión de gas mínima y máxima admisible si el regulador de presión de gas indica un defecto. Durante los tiempos de parada o de ventilación previa, el gas no debe entrar en la cámara de combustión, ya que de lo contrario podría producirse un encendido forzado. Por ello, las electroválvulas del tren de gas deben cerrarse de forma fiable. Por razones de seguridad, las electroválvulas de gas están configuradas de forma redundante y el programa de secuencia del quemador comprueba antes de cada arranque del quemador si las válvulas están bien cerradas (comprobación de estanqueidad del gas).

Calefacción por gas residual

El calor de los gases de combustión de procesos anteriores, como la cogeneración de calor y electricidad a partir de módulos de cogeneración o turbinas de gas, la fabricación industrial y los procesos de producción en la industria metalúrgica o el aprovechamiento de la energía térmica de los residuos, es adecuado para generar vapor en calderas pirotubulares.

Info sobre Cogeneración

La posible producción de vapor a partir de los gases de combustión depende de tres criterios:

• Nivel de temperatura de los gases de combustión disponibles
  Cuanto mayor sea el nivel de temperatura de los gases de combustión, mayor será la producción de vapor alcanzable. El nivel de temperatura puede llegar a unos 300°C con microturbinas de gas, 360 – 550°C con gases de combustión de motores o 1,000°C con procesos industriales como fundición o forja de herramientas o a partir de la utilización de energía térmica.
• Volumen de gases de combustión y duración de la disponibilidad de gases de combustión
  Debe tenerse en cuenta si los gases de combustión estarán disponibles de forma continua o sólo en determinados momentos, al igual que la cantidad de gases de combustión.
  Por ejemplo, cuando se utiliza la producción combinada de calor y electricidad con una turbina de gas, se dispone de hasta 5 veces más gases de combustión que los producidos por un motor de combustión interna con la misma potencia eléctrica, debido a la gran cantidad de aire sobrante durante la combustión.
• Nivel de presión al que debe estar disponible el vapor
  Cuanto mayor sea el nivel de presión y la temperatura del vapor saturado en la caldera de vapor, menor será el gradiente de temperatura de los gases de combustión al vapor disponible para la transferencia de calor. Para temperaturas de ≤ 330°C, la presión de debería ser idealmente < 5 bar. Con temperaturas más elevadas, puede alcanzarse una mayor presión de vapor en la caldera.

Otros parámetros para la selección de una caldera adecuada son el contenido de azufre, el contenido de sólidos u otras sustancias corrosivas, como el contenido de cloro en los gases de combustión.

En este caso, debido al gran número de posibles variaciones de los gases de combustión, siempre se recomienda una ingeniería detallada en la preparación de un sistema de caldera de vapor de calor residual con el fin de utilizar la energía térmica disponible de la manera más eficiente posible.

Unidad combinada de calor y electricidad con caldera de calor residual de 4 pasos