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El corazón de la industria (Calderas y Quemadores)
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No siempre bien mirada, casi siempre ubicada en un rincón apartado, lejos de las miradas, la caldera no obstante es una de las unidades más importantes de una industria. Conozca en detalle su función, sus componentes y su relación con el medio ambiente.
Revista Nº 26 mayo-junio 1997
La caldera suele ser el corazón de muchas industrias, pero también es un equipo del cual muchos industriales no quieren oír hablar. Normalmente está en un lugar apartado, donde casi nadie suele ir y por lo tanto no recibe atención. Con frecuencia el calderero o fogonero, que es el encargado de operar la caldera, es uno de los funcionarios peor pagados y de menor capacitación.
En este artículo se hace una descripción resumida de la caldera industrial, además de un breve análisis de algunos factores que influyen en las emisiones, resaltando los puntos de mayor interés.
La Razón de Ser
La función normal de una caldera industrial es producir un medio de calefacción, el que se empleará para proporcionar calor a los procesos de la planta. Estos últimos pueden ser procesos químicos, cocción de alimentos u otros productos, secado, calentamiento de agua, calentamiento de aire, calefacción ambiental y otros. El medio de calefacción que produce la caldera es comúnmente vapor, pero también puede ser agua caliente o aceite térmico.
La forma de la caldera difiere un poco según el medio calefactor, especialmente si se trata de aceite térmico. El tipo de caldera de vapor y agua caliente más corriente en la industria chilena es la caldera de tubos de humos, la que se describe a continuación. También se encuentran calderas de tubos de agua y de circulación forzada. Las calderas de aceite térmico casi siempre son de tubos de agua y circulación forzada. No se verán en detalle en este artículo.
Sin embargo, la mayoría de lo que aquí se dice también se aplica a ellas. En las caderas de tubos de humos, los gases producto de la combustión circulan por el interior de tubos de acero, y el medio calefactor se encuentra en el exterior de los tubos; este es el esquema típico de las antiguas locomotoras a vapor y de los locomóviles. En aquellas de tubos de agua ocurre lo inverso: el medio calefactor circula por el interior de los tubos, y los gases calientes por el exterior, como ocurre en un calefón doméstico.
La Caldera de Tubos de Humos
La caldera de tubos de humos tiene un fogón tubular, donde se desarrolla la llama. El quemador, que va montado en el extremo anterior del fogón, proporciona el combustible y el aire en cantidades adecuadas según los requerimientos de generación de la caldera, manteniendo una llama estable dentro del rango de operación de ésta.
Los gases que salen del fogón pasan por los bancos de tubos, uno tras otro. Los bancos de tubos pueden ser de uno a tres según el diseño de la caldera. Si existen dos, que es el caso mas corriente, se habla de una caldera de tres pasos: un primer paso de gases por el fogón y dos pasos sucesivos por los bancos de tubos. Corrientemente se ven calderas de dos, tres y cuatro pasos. Una variación de este diseño la constituyen las calderas de llama reversa.
En estas el fogón es ciego, por lo que los gases recorren un primer paso por el centro hasta el fondo, un segundo paso por la periferia hacia la parte delantera de la caldera, y un tercer paso por el banco de tubos. Estas calderas son de menor peso y menor costo que las calderas convencionales. En ambos diseños la combustión debe completarse en el fogón ya que, de lo contrario, la porción de combustible que aún no se haya quemado se enfriará y no terminará de quemarse.
Componentes de una Caldera
Los componentes de una caldera completa pueden clasificarse en cuatro grupos: el cuerpo de presión, el quemador, el sistema de control y los elementos auxiliares.
El cuerpo de presión, generalmente considerado como la caldera propiamente tal, es lo que se describió en el párrafo anterior y constituye el elemento más voluminoso y visible de la caldera. En los quemadores monoblock el sistema de control está integrado al quemador; ambos forman una unidad, que incluye el ventilador y la bomba de combustible. Estos quemadores son los más corrientes para capacidades de hasta aproximadamente 4.500 kg. de vapor por hora (4 MW - Mega Watt). Para capacidades mayores, el sistema de control, ventilador, bomba y el quemador propiamente tal, vienen separados.
El Quemador
El quemador es uno de los componentes críticos de la caldera, especialmente desde el punto de vista de las emisiones contaminantes. Sin embargo, este siempre debe analizarse en conjunto con el cuerpo de presión y el fogón en particular. En efecto, un quemador que se comporta muy bien en un cuerpo de presión puede hacerlo muy mal en otro. Al seleccionarse un quemador hay que considerar no sólo la capacidad máxima deseada, sino que también la presión de fogón, el largo y ancho de la llama comparados con las dimensiones del fogón y el rango de operación.
Este ultimo se refiere a la relación entre la llama mínima y la máxima que puede sustentar el quemador. Por ejemplo, un rango de operación de 1:3 significa que la llama mínima posible es 1/3 de la llama máxima.
Al instalar un quemador nuevo hay que tener presente que estos son fabricados en serie y su capacidad máxima efectiva prácticamente nunca coincidirá con la de la caldera. Es decir, si tenemos una caldera de 3 MW, encontraremos, por ejemplo, quemadores de 2 MW o de 4 MW de capacidad máxima, pero no de 3 MW. Normalmente se escogerá la capacidad mayor más cercana a las necesidades de la caldera.
Esto significa que, una vez instalado, el quemador deberá ajustarse para que no exceda la capacidad nominal de la caldera. Si no se toma esta precaución se corre el riesgo de recalentar la placa de tubos, lo que ocasionará su agrietamiento. Esto obliga al cambio de la placa, trabajo de elevado costo. Esta consideración es particularmente importante para la conversión a gas de calderas existentes.
En efecto, una vez montado el nuevo quemador a gas, deberá regularse la válvula limitadora de caudal para que en ningún caso se sobrepase la capacidad de la caldera. Para esta regulación, el caudal de gas consumido debe medirse con un instrumento. En el caso de los quemadores a petróleo, por lo general el problema es más sencillo, ya que basta con cuidar que se usen las boquillas y presiones de atomización adecuadas.
Según la forma como varían su capacidad, los quemadores se pueden clasificar en modulantes, en etapas o prende-apaga. Los quemadores modulantes cambian su capacidad en forma continua en todo el rango de operación. Los de etapas, lo hacen en dos o tres etapas discretas, las que generalmente se designan como llama baja, media y alta.
Finalmente, los quemadores tipo prende-apaga tienen una sola llama y se encuentran encendidos o apagados. Desde el punto de vista de la caldera y su eficiencia, es mejor tener quemadores modulantes, puesto que no sólo obtienen un mayor rendimiento del combustible quemado, sino que, además, reducen las tensiones producidas en el fogón por el encendido y apagado de la llama. Por esta razón, las normas inglesas obligan a usar quemadores modulantes a partir de cierta capacidad.
También se reducen las mayores emisiones que normalmente se producen al encenderse el quemador. Como los quemadores modulantes son más caros, los en etapas son una solución intermedia conveniente. Los quemadores prende-apaga sólo se usan para pequeñas capacidades.
Emisiones Contaminantes
Uno de los aspectos que más preocupa hoy es el de las emisiones contaminantes de las calderas industriales. En efecto, hoy existen normas que limitan el material particulado (MP), y, con seguridad, luego se dictarán otras que limitarán el monóxido de carbono (CO), y los óxidos de nitrógeno (NOx). Esto último está contenido en el plan de descontaminación recientemente propuesto por CONAMA para la Región Metropolitana. Si de algo se puede estar seguro es que cada día habrán mas restricciones para cualquier tipo de emisiones.
Las emisiones de una caldera dependen del fogón, el quemador, las condiciones de operación y el combustible. Primeramente se analizará el efecto del fogón en las emisiones de MP, CO y NOx. La formación de MP y CO están asociadas, de modo que cualquier acción que se tome tendrá el mismo efecto en ambos contaminantes. No se abordará en detalle del efecto del combustible, ya que es materia suficiente para otro artículo.
La Carga Térmica del Fogón
La característica del fogón que mayor influencia tiene en las emisiones es la carga térmica, la cual se define como la cantidad de calor generado por metro cúbico de fogón. Normalmente se expresa en MW/m3 o kcal/h/m3.
No se conocen antecedentes que indiquen que la relación entre el diámetro y longitud del fogón tenga alguna influencia, en la medida que ellos sean adecuados a la llama producida por el quemador. Se ha podido comprobar que a mayor carga térmica, mayor producción de MP y NOx.
La reducción del material particulado al bajar la carga térmica ha sido experimentada por muchos industriales que han notado como los resultados de los isocinéticos mejoran con la caldera a capacidad reducida. El problema que plantea el diseñar calderas con baja carga térmica es que su costo aumenta. En efecto, se requieren fogones mas grandes, lo que significa emplear mayor cantidad de acero en su fabricación.
En los últimos 30 años los fabricantes de calderas han ido incrementando la carga térmica de sus equipos, impulsados por la necesidad de reducir costos para poder subsistir en mercados cada vez más competitivos. Sin embargo, recientemente esta tendencia se ha revertido debido a la necesidad de limitar las emisiones. En la actualidad se recomiendan cargas térmicas inferiores a 1 MW/m3.
La Importancia del Quemador
El quemador es otro factor de gran importancia en las emisiones. La calidad de un quemador se mide no sólo por su duración y baja mantención, sino que también por la concentración de contaminantes que produce. Una de las características importantes del quemador es la buena distribución del aire y del combustible. Esto se traduce en que puede trabajar con excesos de aire bajos y emisiones de MP razonables.
En efecto, si la mezcla aire/combustible es poco homogénea, habrá porciones de mezcla con insuficiente aire para una buena combustión, a pesar de que otras porciones tendrán grandes excesos de aire. Esto obligará a incrementar el exceso de aire del conjunto para obtener mínimas emisiones. La buena distribución del aire tiene que ver con la simetría de la construcción de los pasajes que lo conducen hasta el fogón. Por ejemplo, un disco difusor descentrado produce una mala distribución del aire. Frecuentemente este tipo de detalles son fácilmente visibles.
Condiciones de Operación
El exceso de aire tiene un efecto importante en las emisiones de MP. También tiene un efecto similar, pero opuesto, en las emisiones de NOx. Para reducir los NOx conviene disminuir el exceso de aire, pero esto puede llevar a elevadas emisiones de MP. En síntesis, es necesario tomar una decisión de compromiso al ajustar el exceso de aire, cuando se dicten normas para limitar los NOx.
Por otro lado, las emisiones de SO3 también aumentan con el exceso de aire. Este contaminante proviene del azufre del combustible, el que se quema mayoritariamente a SO2 y en pequeño porcentaje a SO3. La relevancia de este detalle estriba en que el SO3 puede reaccionar con vapor de agua, que siempre está presente en los productos de combustión, para generar ácido sulfúrico. Este último condensará en el filtro del muestreador isocinético aumentando el material particulado reportado. Otro efecto negativo del ácido sulfúrico en los humos es la corrosión de las superficies metálicas frías, como ser la chimenea.
Otra condición de operación que tiene efecto en las emisiones de MP es el precalentamiento del aire. Sin embargo, al igual que en el caso del exceso de aire, al reducirse el MP se aumentan los NOx.
También, cabe mencionar el efecto de los aditivos al petróleo. En Chile se comercializan dos aditivos que han demostrado ser efectivos para la reducción del material particulado: el Satamin, comercializado por CONADE y COPEC, y el Skyguard, comercializado por Shell Chile. Adicionalmente, todos los fabricantes de quemadores reconocen las bondades de la emulsión de agua en el petróleo combustible. Sin embargo, a pesar de existir ofertas locales de estos sistemas, en particular por ABASTERM, no han tenido mucha aceptación por los industriales chilenos.
Finalmente, habría que mencionar otras condiciones de operación, tales como estado de mantención general del quemador y componentes auxiliares, temperatura y presión del petróleo, boquillas, filtros, etc. Todos estos aspectos son importantes para una correcta operación de la caldera con mínimas emisiones.
Para no Olvidar
Los elementos auxiliares, tales como válvula de seguridad, presostato, termostato, control de nivel y alarmas, sistema de alimentación de agua, sistema de purga, chimenea y otros, también cumplen funciones importantes. Algunos de ellos son imprescindibles para la operación de la caldera, como ser, el sistema de alimentación de agua. Otros cumplen funciones de seguridad, por ejemplo, válvula de seguridad y alarmas. De estos auxiliares, posiblemente el que más se suele descuidar es el sistema de tratamiento de agua, ya que su efecto es más bien de largo plazo. En efecto, las consecuencias de un mal tratamiento de agua son, principalmente, la incrustación y corrosión de la caldera, que se manifiestan después de prolongados períodos de mantención.
La Caldera, un Equipo Integrador
A pesar de haber analizado la caldera por partes, hay que tener presente que se trata de un equipo que necesita de cada una de ellas y, mas aún, las distintas partes deben actuar coordinadamente. La selección de cada uno de los componentes de la caldera debe hacerse de modo que sean compatibles entre sí y puedan operar en armonía.
Expresamente se hizo mención al caso del quemador y el fogón, pero también habría que decir algo similar con el sistema de alimentación de agua. Por ejemplo, no es raro encontrar casos en que las bombas de alimentación no son capaces de suministrar el agua requerida en condiciones extremas. Los elementos de seguridad con frecuencia tienden a descuidarse.
Esto es grave por las consecuencias desastrosas que puede tener la explosión de una caldera, además de contravenir las disposiciones legales del reglamento de calderas. Es conveniente que los industriales establezcan rutinas periódicas de chequeo de sus calderas. Estas rutinas, que consisten en inspecciones visuales y pequeñas verificaciones de los elementos de seguridad y otros controles, deberían reportarse por escrito para que quede constancia de ellas. En otros países, las compañías de seguro exigen este tipo de procedimiento antes de renovar las pólizas de seguros de la empresa.
Las calderas modernas son equipos confiables y seguros, en la medida que se les preste un poco de atención y se disponga de personal bien capacitado. Este último punto, la capacitación del personal, se considera indispensable para tener una operación libre de problemas.
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