Quemadores - Alemansistem
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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS PDVSA N° MDP–05–F–03 0 NOV.95 REV. FECHA APROB. E1994 TITULO QUEMADORES 28 DESCRIPCION FECHA PAG. REV. APROB. APROB. APROB. FECHA ESPECIALISTAS MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 1 Indice norma Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA QUEMADORES . . . . . . . 4 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Quemadores de tiro natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quemadores de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requerimientos de exceso de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexibilidad del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tratamiento del ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 9 9 10 6 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 6.1 6.2 6.3 6.4 Combustibles gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Combustibles líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pilotos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tubería del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 13 17 18 7 SELECCION DEL QUEMADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Tipo de quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Número de quemadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacidad del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Espaciamiento del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preparación de las especificaciones del diseño del quemador . . . . . . . . 18 19 19 20 20 8 APENDICES Tabla 1 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Direcciones de algunos vendedores de quemadores . . . . . . . . . . . Quemadores típicos de tiro natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Espacio de quemadores montados sobre una cámara (plenum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema típico de circulación de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arreglo típico de la tubería del quemador para quemadores de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 23 24 25 26 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal 1 TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 2 Indice norma OBJETIVO Presentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertas quemadores nuevos para hornos de proceso. Esta información cubre criterios de diseño que sean propietarios de PDVSA y sus filiales. El tema “Hornos”, dentro del area de “Transferencia de Calor”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos: PDVSA–MDP– Descripción de Documento 05–F–01 Hornos: Principios Básicos. 05–F–02 05–F–03 Hornos: Consideraciones de diseño. Hornos: Quemadores (Este documento). 05–F–04 Hornos: Sistemas de tiro forzado. 05–F–05 Hornos: Precalentadores de aire. 05–F–06 Hornos: Generadores de gas inerte. 05–F–07 Hornos: Incineradores. Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Hornos”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Práctica de Diseño “HORNOS”, presentada en la versión de Junio de 1986 del MDP (Sección 8). 2 ALCANCE Se cubre el uso de quemadores en hornos de proceso de la refinería. Se presentan normas para la selección del quemador y diseño de los mismos. Exceptuando algunas especificaciones, la selección del quemador debe ser consistente con los requerimientos de las prácticas básicas para equipos con niveles de ruido. También se incluyen detalles de los quemadores comúnmente usados. 3 REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación” S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas” Manual de Ingeniería de Diseño S PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas y detalles de compra” S PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo” MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal PDVSA MDP–05–F–03 TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 3 Indice volumen Indice norma S PDVSA–MID–K–337: “ Furnace instrumentation “ S PDVSA–MID–SN–291: “Control de ruidos de plantas: filosofia de diseño” Manual de Ingeniería de Riesgo S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de despresurizacion y venteo de equipos y plantas” emergencia, bloqueo, Manual de Inspección S PDVSA–PI–12–12–01: “ Control de ruido” Otras Referencias S Garg, A., Ghosh, H., “Good heater specifications pay off”, Chemical Engineering, julio 18, 1988, pp 77–80 S Whitehead, D. M., Butcher, R. W., “Forced draft burners compared”, Hydracarbon Processing, julio 1984, pp 51–55 4 DEFINICIONES Para ver otras definiciones relacionadas con el tema de hornos, consultar PDVSA–MDP–05–F–01. Poder calorífico inferior (PCI) Es el calor teórico de combustión de un combustible, cuando no se le da crédito al calor de condensación del agua en el gas de combustión. También se le llama poder calorífico neto y es generalmente expresado en kJ/kg (BTU/lb). Convencionalmente, el poder calorífico inferior es utilizado para todos los rangos de operación de los quemadores. Capacidad máxima del quemador Es el calor máximo liberado a la cual el quemador puede operar con características de combustión aceptables. Capacidad normal de diseño del quemador Es el calor liberado por los quemadores individuales cuando el horno opera a su capacidad de diseño y todos los quemadores están en servicio. Capacidad máxima del diseño del quemador Es el máximo calor específico liberado por un quemador. Esta es un poco mayor que la capacidad normal de diseño y su intención es suplir capacidad suficiente al quemador para compensar la carga adicional cuando uno o más quemadores son removidos temporalmente para mantenimiento, limpieza, etc. La capacidad máxima de diseño no debe exceder la capacidad máxima del quemador. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 4 Indice norma Flexibilidad del quemador (Turndown) Es la relación de la capacidad máxima de diseño y la carga mínima a la cual el quemador puede operar satisfactoriamente. 5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA QUEMADORES Una gran variedad de tipos de quemadores se disponen para el uso en refinerías y en plantas químicas. Cada tipo de quemador tiene su capacidad y limitaciones, las cuales determinan su aplicación para un servicio dado. A continuación, se describen los tipos de quemadores comúnmente usados. 5.1 Quemadores de tiro natural La mayoría de estos quemadores cuentan con un tiro térmico desarrollado en el horno y en la chimenea para proveer el aire requerido para la combustión. Algunos usan la energía del gas combustible para alcanzar el 100% del aire estequiométrico requerido. Todos estos quemadores son clasificados de acuerdo al tipo de combustible con que operan, es decir, gas, líquido o combinación gas/líquido. La capacidad máxima de diseño de los quemadores de tiro inducido está normalmente limitada a 4.6 MW (16 MM BTU/h), ya que pueden ocurrir llamas con longitud excesiva a capacidades mayores. Componentes básicos – Todos los quemadores de tiro natural son fabricados con tres componentes básicos: 1. Pistola del quemador – De ser requerido atomiza el combustible y lo inyecta en la zona de combustión. 2. Registro de aire – Controla el flujo de aire al quemador. 3. Garganta(s) del quemador – Dirige el flujo de aire a través del quemador e irradia calor en la zona de combustión. Quemadores de gas – Cuando sólo se van a quemar combustibles gaseosos, y no hay precalentamiento del aire de combustión, se usan quemadores de gas de tiro natural. Estos pueden ser de “gas bruto” o “pre–mezcla de gas”, dependiendo del método usado para combinar o mezclar el combustible y el aire. 1. Quemadores de gas bruto – Es un quemador en el cual el gas combustible es inyectado en una corriente de aire para el encendido. Mecánicamente, esto se lleva a cabo mediante uno de las dos configuraciones generales del quemador: a. b. Quema central – Se monta una pistola de gas sencilla coaxialmente dentro del quemador que se encuentra generalmente provisto de un cono estabilizador de llama (Fig. 1.A). Pistola múltiple – Por lo general de 4 a 8 pistolas de gas se ubican alrededor de la circunferencia interna de la garganta del quemador (Fig.1.C). MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 5 Indice norma Debido a su bajo costo, los quemadores que queman el gas por el centro generalmente son usados en aplicaciones donde han sido seleccionados quemadores de gas bruto y sólo están disponibles combustibles gaseosos. Los quemadores de gas con pistola múltiple cuestan más o menos el doble. Sin embargo, la mayoría de estos quemadores tienen la capacidad de ser modificados para quemar combustibles líquidos añadiendo simplemente una pistola que quema aceite por el centro. Las pistolas que queman aceite por el centro se encuentran disponibles para algunos quemadores de gas, pero esto se considera un diseño inaceptable. Otras ventajas de los quemadores de gas bruto, son: 1. Tienen la flexibilidad de quemador más alta para cualquier condición de combustión. 2. Pueden operar a presiones muy bajas de gas y sin retroceso de la llama. 3. El nivel de ruido es relativamente bajo. Entre las desventajas se tiene: 1. Siempre requieren de ajustes en el aire de combustión en todo el rango de operación del quemador. 2. La llama tiende a alargarse, y las condiciones de las llamas se hacen insatisfactorias cuando el quemador es usado más allá de su condición de diseño. 3. Los orificios de gas están expuestos a la zona caliente y tienden a taparse a bajas velocidades y altas temperaturas. 2. Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores usan la energía cinética del gas combustible para mezclar una parte o todo el aire de combustión con el gas combustible en un tubo de mezcla. Esta mezcla aire/combustible se introduce en la zona de encendido a través de un distribuidor instalado en la salida del tubo mezclador. Cualquier aire adicional (secundario) que sea requerido para completar la combustión, entra y es controlado por un registro de aire. El tamaño y la forma de las llamas producidas por estos quemadores varían considerablemente, dependiendo de la configuración del cabezal de distribución. Las llamas típicas no son luminosas. Estos quemadores normalmente son clasificados en llama corta, llama larga (lápiz) o quemadores radiantes. a. b. Quemadores de llama corta – La mezcla combustible/aire es esparcida en la zona de encendido a través de un cabezal en forma de estrella, el cual se extiende a lo largo del radio completo de la garganta del quemador. Las llamas producidas son relativamente pequeñas, siendo cerca de 1000 mm de largo por MW de calor (1 pie de largo por MM BTU/h de calor) liberado. (Ver Fig. 1.B). Algunos quemadores de este tipo están equipados con pistolas que queman aceite por el centro. Sin embargo, esto se considera un diseño inaceptable. Quemador tipo lápiz – En estos quemadores, el cabezal se localiza en el centro y libera la mezcla combustible/aire en una columna vertical coaxial con el aire MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal c. TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 6 Indice norma secundario entrando a través del registro. La llama resultante es larga y estrecha. Estos quemadores físicamente se parecen a los quemadores de llama corta, a excepción del cabezal y se utilizan normalmente en aplicaciones especiales y en hornos de pirólisis. Quemador radiante – Estos quemadores inspiran cerca del 100% de su aire de combustión. La mezcla aire/combustible es dirigida a través de la garganta del quemador y se quema sobre su superficie, la cual está orientada en ángulos rectos con respecto al eje del quemador. En este tipo de quemador, el calor es transferido a los tubos del horno por radiación de las gargantas de los quemadores. Generalmente, están limitados en capacidad hasta 0.21 MW (0.75 MM BTU/h) y sólo son usados en aplicaciones especiales, tales como en hornos de pirólisis, donde se requiere una distribución y control del calor uniforme. Algunas ventajas de los quemadores de pre–mezcla de gas, son: 1. Su operatividad es buena dentro de su rango de operación. La cantidad de aire “inspirado” varía con la presión del gas combustible y, consecuentemente, se requiere solamente un ajuste limitado del aire secundario de combustión (no inspirado). estos quemadores pueden operar a bajas tasas de aire de exceso, y no se afectan significativamente por cambios en la dirección y velocidad del viento 2. La longitud de la llama es corta, y el patrón de la llama está bien definido a altas tasas de liberación de calor. 3. Los orificios del quemador son relativamente grandes y, debido a que están localizados en una zona fría, se taponan menos que los orificios más pequeños de otros tipos de quemadores.. Entre las desventajas se tiene: 1. Tienen un reducido rango de operación, debido a la posibilidad de retroceso de la llama hacia el tubo de mezcla. Este retroceso ocurre cuando la velocidad de la mezcla y/o distribuidor cae por debajo de la velocidad de la llama. El hidrógeno tiene una velocidad de llama significativamente mayor que los otros hidrocarburos gaseosos. Por lo tanto, con altas concentraciones de hidrógeno en el gas combustible (30 a 50%), la flexibilidad del quemador puede ser limitada, haciendo que normalmente no se usen. Por lo general, el retroceso de la llama no ocurre en estos quemadores de pre–mezcla, siempre y cuando el quemador permanezca limpio y la presión del gas combustible sea mantenida por encima de 14 kPa man (2 psig). 2. El pre–encendido de la mezcla aire/combustible puede también ocurrir si el tubo de mezcla o distribuidor se calienta por encima de la temperatura de ignición del combustible. Este problema ocurre predominantemente con olefinas o mezclas de vapor–nafta. 3. El ruido producido por los quemadores de pre–mezcla es mayor que el de los quemadores de gas bruto. El ruido producido por los quemadores de pre–mezcla se origina, primero, en el venturi inspirador, y luego en los orificios de salida del quemador. Sin embargo, el ruido puede ser controlado MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 7 Indice norma adecuadamente por silenciadores en la primera entrada de aire y/o por diseños especiales de la copa de los inspiradores. Quemadores de líquidos – También existen quemadores de líquidos de tiro natural. Sin embargo, la única configuración aceptable tiene una pistola de combustible en el centro rodeado de baldosas refractarias primarias y secundarias (Ver Fig. 1.B). La forma, longitud y calidad de las llamas del combustible líquido son una función del diseño de la pistola de atomización y del diseño de las baldosas refractarias. Normalmente, se prefiere tener quemadores de líquido del tipo de tiro forzado, por lo cual se ampliará la discusión al llegar a ese punto. Quemadores que operan con gas/líquido – Estos quemadores son la combinación de un quemador líquido y un quemador de gas de pistola múltiple. (Ver Fig. 1.C). Todos los comentarios anteriores de estos dos tipos de quemadores se aplica a los quemadores combinados. Estos quemadores son capaces de quemar puro gas, puro líquido o ambos combustibles simultáneamente. La quema simultánea de ambos combustibles resulta en llamas un poco más largas en comparación con la quema de un sólo combustible. Cuando se queman ambos combustibles simultáneamente, la capacidad total combinada que se quema no debe exceder la capacidad máxima de diseño del quemador. Cuando ambos combustibles deben ser quemados al mismo tiempo en un horno, se prefiere la quema simultánea en cada quemador. El número de quemadores usados, por cada servicio de distribución, se estima en base al porcentaje del calor total suministrado por el combustible. Además, los quemadores en operación deben ser distribuidos tan uniformemente como sea posible. Se debe tener cuidado cuando se queman combustibles líquidos y gaseosos en quemadores separados debido a que las capacidades pueden excederse si el gas combustible es la carga base y su poder calorífico varía. 5.2 Quemadores de tiro forzado Los quemadores de tiro forzado cuentan con ventiladores para suplir su aire de combustión bajo presión. En el diseño de este tipo de quemadores, la energía cinética de la corriente de aire es utilizada para alcanzar mayor eficiencia de la mezcla aire/combustible que en los quemadores de tiro natural. Como resultado de este mejor mezclado, se obtienen volúmenes específicos pequeños de la llama y por ende mayores capacidades permisibles en los quemadores. Por tal razón, se requiere menor número de quemadores de tiro forzado en comparación a la cantidad de quemadores de tiro natural, basado en el mismo calor total liberado. La capacidad máxima de diseño de estos quemadores (los del tipo de alta intensidad), está del orden de 11.7 MW (40 MM BTU/h), ya que pueden ocurrir llamas con longitud excesiva a capacidades mayores. Comparados con los quemadores de tiro natural, los de tiro forzado tiene las siguientes ventajas: MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 8 Indice norma 1. Operación menores niveles de exceso de aire para todos los combustibles. 2. Combustión más eficiente con combustibles residuales (Menor emisión de partículas: cuando los quemadores queman a bajos niveles de exceso de aire para una mayor eficiencia, la emisión excesiva de partículas puede ser un problema; estas partículas se generan cuando se queman aceites residuales y son, principalmente, cenizas de aceite y coque. Estas emisiones pueden obstruir superficies de transferencia de calor, reduciendo las tasas de transferencia, reduciendo así la eficiencia del horno entre paradas por mantenimiento. 3. Menor consumo de vapor de atomización. 4. Mejor control de la forma de la llama. 5. Mejor estabilidad de la llama mediante el mezclado controlado del combustible y el aire. 6. Recuperación de calor a través de precalentamiento de aire de combustión. 7. Menores niveles de ruido. 8. Un solo punto de control del aire de combustión. 9. Oportunidad de controlar la relación aire/combustible. 10. Menor número de quemadores por horno. Entre las desventajas, comparados con los de tiro natural, se tienen: 1. Orificios de menor tamaño en el quemador, comparados con los correspondientes de tiro natural: lo cual los hace más sensibles a taponamientos y erosión si no se cuida el filtrado y calidad del combustible. 2. Peligro de inestabilidad de llama bajo condiciones de tiro muy alto, debido a la alta presión del soplador de aire. Quemadores de líquidos – Debido a que la mezcla de combustible y aire de combustión sucede en fase gaseosa, todos los quemadores de líquido usan alguna forma de atomización para dividir la masa líquida en gotas de tamaño microcópico. Esto aumenta la relación superficie/masa, permitiendo un calentamiento extremadamente rápido y vaporization de la masa del aceite combustible. Los quemadores de aceite casi siempre usan vapor de agua como medio de atomización, y el contacto del vapor caliente con el aceite tiende a emulsificarlo y formar espuma, favoreciendo el proceso de atomización. Para este proceso, se espera tener las siguientes condiciones: 1. Aceite combustible lo suficientemente caliente para tener una viscosidad del orden de 26 cSt @ 38 ºC (125), aún cuando existen quemadores que pueden trabajar hasta 65 cSt @ 38 ºC (aprox. 300 SSU), empleados para quemar residuo de vacío. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 9 Indice norma 2. La presión del combustible en el quemador debe estar del orden de 4 – 7 barg (60–100 psig), preferiblemente en el valor más alto, y debe mantenerse constante. 3. El vapor de agua en el quemador debe estar absolutamente seco, preferiblemente con unos 28 ºC de sobrecalentamiento, y con 2.1 barg (30 psig) por encima de la presión del combustible. Para aquellos casos donde se no se disponga de vapor de agua, se puede tener atomización mecánica o por aire. Los requerimientos operativos de atomización por aire son similares a los de atomización con vapor, aunque se requiere una temperatura un poco más alta del combustible, para compensar por el efecto enfriador del aire atomizante. Las unidades atomizadas mecánicamente aprovechan la energía cinética del aceite para atomizar el combustible en la punta del quemador. Los rangos de temperatura y viscosidad del combustible son similares a los de atomización con vapor. El combustible debe estar disponible a presiones cercanas a los 21 barg (300 psig). Si se requiere una flexibilidad alta del quemador, la presión de suministro podría ser tan alta como 67 barg (1000 psig). 5.3 Requerimientos de exceso de aire El quemador debe ser dimensionado de tal forma de asegurar que el aire requerido para una buena combustión sea disponible a su capacidad máxima de diseño. Quemadores de tiro natural – El flujo máximo de aire a través de los quemadores está gobernado por el tiro disponible del horno a nivel del quemador y por las características de flujo del registro de aire. Los quemadores de tiro natural deben ser capaces de operar a las siguientes condiciones: 1. 20% de exceso de aire para gas combustible solamente. 2. 30% de exceso de aire para combustible líquido o combinación gas/líquido. Quemadores de tiro forzado – Para este tipo de quemadores, se tiene que la quema debe estar basada en 20% de exceso de aire. 5.4 Flexibilidad del quemador La flexibilidad es una función de varios factores, siendo los más importantes el diseño del quemador y el tipo de combustible. Los otros factores incluyen la presión del combustible, la presión de atomización del vapor y la habilidad para controlar el flujo de aire de combustión. La flexibilidad del quemador normalmente no afecta la selección del quemador ni el diseño del horno, ya que los quemadores pueden ser apagados o se puede incrementar el exceso de aire cuando el horno está operando a cargas reducidas. Quemadores de gas bruto – Para ambos quemadores de tiro forzado y natural, estos quemadores tienen una flexibilidad de 5 a 1 ó mayor, asumiendo un peso MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 10 Indice norma molecular y un poder calorífico del gas combustible constante. La presión del combustible a la capacidad máxima de diseño debe ser de por lo menos 210 kPa manométricos (30 psig). La mínima presión de diseño debe ser de por lo menos 7 kPa manométricos (1 psig); esto ajusta la capacidad mínima del quemador. Presiones menores del combustible limitan la flexibilidad del quemador. En situaciones donde el gas combustible varía considerablemente en peso molecular, la pistola del combustible debe ser diseñada para el gas que contenga el menor peso molecular. Como la densidad del gas combustible aumenta, la caída de presión a través del quemador decrecerá y se reducirá la flexibilidad con el combustible más pesado. Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores pueden estar limitados en capacidad con gas combustible de bajo peso molecular, particularmente si el contenido de hidrógeno es alto, debido al potencial del combustible para retornar la llama (quema en el tubo de mezcla). A fin de evitar el retorno de la llama, se debe usar una mínima presión del combustible de 14 kPa manométricos (2 psig) a carga crítica. Quemadores de aceite – Estos están usualmente limitados por la flexibilidad de 3 ó 4 a 1, tanto para los quemadores de tiro natural como los de tiro forzado. Este límite es ajustado por el rango sobre el cual casi todas las pistolas pueden atomizar el combustible adecuadamente para una buena combustión. Al igual que con gas, la maximización de la presión del combustible maximizará la flexibilidad. Quemadores de combinación gas/líquido – Cuando se queman ambos combustibles simultáneamente en quemadores de tiro natural e inducido, se obtiene una mayor flexibilidad de operación que con un solo combustible. La razón de esto es que el combustible principal actúa como una fuente de encendido con respecto al combustible secundario. Para los quemadores que operan simultáneamente con ambos combustibles, se hace necesario la adición de controles de tal forma que la pérdida del combustible principal automáticamente cierre el combustible secundario, en caso de que este último se esté quemando por debajo de su flexibilidad límite individual . Consideraciones del lado del aire – El lado del aire por lo general no afecta la flexibilidad del quemador o del horno, debido a que el exceso de aire puede ser aumentado durante la operación a cargas bajas. El aire puede ser reducido en quemadores de tiro natural e inducido hasta que haya insuficiente energía para mezclar adecuadamente el aire y el combustible. Los quemadores de tiro natural generalmente son capaces de dar una flexibilidad del lado del aire de 3 a 1 ó más. 5.5 Tratamiento del ruido A continuación se presenta un resumen de recomendaciones del tratamiento acústico para varios quemadores. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 11 Indice norma Quemadores de tiro natural 1. Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores requieren silenciadores de aire primario. (Las paredes de radiación del quemador generalmente no requieren estos silenciadores). Estos quemadores también pueden requerir cámaras (plenum) de aire secundario, dependiendo del combustible que se queme. 2. Otros quemadores de tiro natural – Normalmente se requieren “plenums” acústicos para quemadores de tiro natural que quemen gas bruto, líquidos o combinaciones de ellos. Los quemadores de aceite, montados sobre paredes de reducción acústica (plenums) tienen severas desventajas, debido a problemas de operación y mantenimiento, los cuales pueden ser causados por combustibles residuales. Además, los combustibles altamente volátiles, tales como la nafta líquida, no deben ser utilizados en estos quemadores debido al alto potencial explosivo que puede resultar en el caso de que el combustible se derrame. Se han desarrollado anillos de refuerzo acústico, los cuales están abiertos en el fondo, para ser usados en este tipo de servicio. Quemadores de tiro forzado – Los quemadores de alta intensidad normalmente no requieren de tratamiento acústico. Los ventiladores, motores y sistemas de ducto de tiro forzado normalmente requieren de algún tratamiento. 6 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE Los combustibles de la refinería tienen por lo general corrientes de baja calidad, las cuales contienen contaminantes que pueden causar problemas severos de seguridad y/o operacionales, si no son tratados y manejados adecuadamente antes de ser inyectados en los quemadores. 6.1 Combustibles gaseosos Estos combustibles varían de limpios, secos y de peso molecular constante, hasta sucios, mezclas húmedas de gases de desechos de procesos que pueden fluctuar significativamente su peso molecular y composición. En el primer caso, el combustible puede causar muy pocos problemas; pero el último origina problemas mayores de seguridad y mantenimiento a menos que se limpie y se seque el gas. Los líquidos y sólidos pueden taponar la entrada del combustible en la pistola, restringiendo la capacidad del quemador y causar mala combustión debido a la mala distribución del combustible en los quemadores. Con el fin de protegerse contra gas sucio o húmedo, los separadores gas/líquido son un requerimiento mínimo en todos los sistemas de gas combustible. Sin embargo, cuando el gas es muy sucio o muy húmedo, estos separadores no MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 12 Indice norma pueden hacer un servicio adecuado de purificación del combustible. En lugares donde la experiencia ha demostrado que existe esta situación, equipos de gas mucho más eficientes, tales como depuradores de secado tipo centrífugos y filtros deben especificarse. Tanto el tanque deshidratador como el depurador deben ser instalados tan cerca del horno como sea posible (pero no menos de 15 m (50 pie) del horno). La tubería aguas abajo del separador debe estar traceada con vapor, con aislamiento y drenajes en caso de que sea posible la condensación del gas. Presión – La presión requerida de combustible cuando se quema gas se determina por la flexibilidad del quemador. Los quemadores de gas tienen una flexibilidad de 5 a 1 ó mayor, teniendo en cuenta que la presión del combustible requerida a carga máxima es de 210 kPa manométricos (30 psig) o mayor. Por ejemplo, la presión del gas a la capacidad mínima del quemador es de 7 a 14 kPa manométricos (1 a 2 psig). Las presiones de diseño más bajas limitan la flexibilidad. En situaciones donde el peso molecular del gas varía considerablemente, la flexibilidad del quemador será limitada según el gas se desvíe del peso molecular para el cual el quemador fue diseñado; el aumento en densidad restringirá el límite de operación inferior y la disminución en densidad reducirá el límite de operación superior del quemador a no ser que se disponga de suficiente presión de gas para contrarrestar el incremento de la caída de presión. Por lo tanto, la flexibilidad del calor total liberado puede ser controlado apagando quemadores en casi todos los hornos, las pistolas de gas combustible deben ser diseñadas para utilizar el combustible con el menor peso molecular. Los quemadores pueden ser operados satisfactoriamente con presiones de gas de hasta 280 kPa manométricos (40 psig). Presiones mayores pueden dar origen a problemas de ruido. Para muy bajas presiones del gas (presión máxima disponible en el quemador de 21 kPa (3.0 psig)) se puede usar un quemador especial de pre–mezcla con un eyector de vapor. Este quemador es usado con frecuencia para corrientes de gases de desecho, tales como incondensables de vacío. El consumo de vapor es del orden de 0.3 kg por kg (0.3 lb por lb) de combustible y debe ser suministrado al quemador a una presión de 210 kPa manométricos (30 psig): por supuesto esta información es preliminar y cualquier información final deberá entregarse, con garantías, por un suplidor especializado.. Control del horno – Si los quemadores de gas están en su condición de carga base, como puede ocurrir en hornos donde ambos combustibles se queman separadamente, se puede dar origen a un incremento sustancial del poder calorífico del combustible que resulta en una combustión sub–estequiométrica en el quemador. Recíprocamente, si el poder calorífico del gas combustible disminuye significativamente, los quemadores de aceite pueden sobrecargarse, ya que ellos tratan de absorber la carga. Por lo tanto, en unidades con gas MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 13 Indice norma segregado y quema de combustible líquido, y donde el gas combustible fluctúa sustancialmente con respecto al poder calorífico, el flujo de gas combustible debe ser controlado automáticamente si es posible. Por otro lado, el líquido combustible puede estar a la carga base, ya que su poder calorífico es relativamente constante. El método preferido para quemar gas y líquido en una unidad es quemarlos a ambos simultáneamente en cada quemador. La quema simultánea permite basarse en la carga de cualquier combustible. 6.2 Combustibles líquidos Los combustibles líquidos tienen un rango extenso, el cual incluye desde la nafta, hasta combustibles muy viscosos y/o combustibles líquidos como por ejemplo residuales de vacío y residuo craqueado. Independientemente de la calidad, los combustibles líquidos deben llegar a la pistola del quemador bajo las siguientes condiciones: 1. A una viscosidad y temperatura que asegure buena atomización y combustión. 2. Solo en la fase líquida. 3. Libre de cualquier sólido que pueda taponar los orificios de atomización pequeños. Viscosidad y temperatura del combustible – Para una buena atomización el combustible debe llegar al quemadores con una viscosidad de 26 mm2/s (26 cst) o menor. A viscosidades mayores el tamaño de las gotas del combustible atomizado pueden ser tan grandes que se puede dar origen a una combustión ineficiente. Esto trae como resultado que las llamas no sean adecuadas, y que el combustible no consumido pueda escaparse de la llama, causando combustión humeante. La temperatura de los combustibles residuales debe ser mantenida por encima de 175°C (350°F), aun si temperaturas más bajas alcanzan los requerimientos de viscosidad. Estos 175°C (350°F) es la mínima temperatura que ha sido usada con buenos resultados en el pasado para combustibles residuales típicos. Generalmente, la temperatura de los cortes de este tipo de combustible debe ser suficientemente alta para asegurar que la viscosidad del componente más pesado sea de 26 mm2/s (26 cst) o menor. De esta forma se asegura que el componente más pesado se gasifique rápidamente y se queme. Mientras mayor sea la temperatura del combustible, más rápida será la gasificación y mejor la combustión. Combustibles volátiles – En caso de combustibles volátiles, tales como la nafta, se debe evitar la gasificación parcial del combustible aguas arriba del orificio del combustible. Esta condición trae como resultado inestabilidad del quemador y posible apagado de las llamas. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 14 Indice norma Los combustibles del tipo de la nafta también presentan problemas de seguridad debido a su alta volatibilidad, por lo cual requiere especial atención. Estos problemas son: 1. Alto riesgo de incendio en el caso de que se derrame el combustible (o explosión en el caso de quemadores de tiro natural con plenum acústico). Por lo tanto, estos combustibles no deben ser quemados en quemadores con plenum acústicos. Además, se deben especificar sistemas de seguridad para evitar la remoción del quemador sin haber bloqueado completamente el combustible. 2. Las fugas de nafta en sistemas de aceite combustible caliente, especialmente del tipo de recirculación, se vaporizará parcialmente en estas líneas de combustible y/o tanques de compensación y tanques de retención. Por lo tanto, el sistema de la nafta debe ser segregado al sistema de aceite combustible mediante la separación física o por el uso de válvulas de tres vías en todas las interfases entre los dos sistemas. Atomizadores – Estas son probablemente las piezas más críticas en el sistema de aceite combustible. Si no son diseñadas y dimensionadas correctamente o si se llegan a ensuciar o desgastar durante su uso, no atomizarán el combustible suficientemente y no podrán dar una combustión rápida y completa. Esto puede dar como resultado una combustión humeante y choques de la llama con los tubos del proceso y otras superficies de los hornos. Además, las gotas grandes de combustible pueden derramarse en el quemador ocasionando condiciones inseguras en el caso de combustibles volátiles, o por lo menos problemas serios de mantenimiento en el caso de combustibles residuales. 1. Tipos de atomizadores – Generalmente se usan tres tipos básicos de atomizadores: a. b. Atomizadores con vapor – De acuerdo a lo mencionado en 5.2, la presión del vapor normalmente es mantenida cerca de 210 kPa man (30 psig) por encima de la presión de combustible por medio de un controlador de presión diferencial. La presión del combustible en el quemador debe ser de 420 a 700 kPa man (60 a 100 psig) (preferiblemente cerca de los 700 kPa manométricos (100 psig) de ser posible). El consumo estimado de vapor de atomización típico, para efectos de estimación de servicios industriales, es de 0.5 kg de vapor por kg (0.5 lb de vapor por lb) de combustible. Sin embargo, para calcular la línea de suministro de vapor, use 1.0 kg/kg (1.0 lb/lb) de combustible. Atomizador mecánico – (Ver subsección 5.2, Quemadores de líquido) Este tipo de atomizador tiene aplicaciones limitadas. Se usa sólo en quemadores horizontales (por lo tanto, no se usa en diseños modernos de hornos), donde la disponibilidad de vapor es limitada. Estos quemadores son altamente susceptibles al taponamiento debido al tamaño pequeño de los orificios, por lo tanto, el combustible debe ser muy bien filtrado. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal c. TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 15 Indice norma Atomizadores combinación mecánico/vapor – Los requerimientos de presión del combustible y del vapor son de 700 a 875 kPa man (100 a 125 psig) (para ambos) en el quemador. El combustible debe estar libre de sólidos para evitar taponamiento. El consumo de combustible para este tipo de atomizador es de 0.25 a 0.6 kg de vapor por kg (0.25 a 0.6 lb/lb) de combustible. 2. Selección del atomizador El vendedor del quemador tiene la responsabilidad de diseñar apropiadamente los atomizadores para todos los quemadores. El tipo de atomizador usado se determina por el tipo de quemador, las características del combustible y la disponibilidad de vapor. 1. Los vendedores normalmente equipan los quemadores de tiro natural con atomizadores de vapor. Sin embargo, para casos especiales, tales como la falta de vapor de atomización, ellos suplirán atomizadores de combinación mecánico/vapor (o mecánico) a solicitud del comprador. 2. Los quemadores comerciales de tiro forzado generalmente están equipados con atomizadores especiales que han sido diseñados especialmente para estos quemadores Sistema de combustible – Para combustibles pesados, tales como residuales de vacío o atmosféricos, alquitrán y otros combustibles con bajos puntos de fluidez, se debe utilizar un sistema de recirculación. Este sistema evita problemas inherentes asociados con los sistemas muertos, tales como arranques con el combustible frío y líneas taponadas. La Figura 3. muestra un sistema de recirculación de aceite combustible. Se deben considerar los siguientes puntos importantes para el diseño: 1. Selección de un recurso caliente para eliminar la necesidad de utilizar intercambiadores de calor, por ejemplo, enviar el combustible directamente desde el fondo de la torre. 2. Diseñar el retorno del sistema principal de tal forma que este opere a una presión más baja que cualquier circuito de los hornos. Generalmente, una presión de 350 kPa man (50 psig) o menos es adecuada en la línea de retorno principal. 3. Proveer orificios pequeños de limitación de flujo mínimo (válvulas de compuerta con un orificio) en las líneas de retorno de unidades individuales para prevenir situaciones de no flujo. 4. Diseñar los componentes del sistema para permitir flujos adecuados de combustible. Los flujos de retorno de combustible dependen de sus características; el tamaño y longitud de la(s) línea(s) de retorno, condiciones ambientales, etc., y son ajustadas para mantener MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 16 Indice norma temperaturas adecuadas del combustible a través del sistema. Se debe tener cuidado cuando se dimensionen las bombas, válvulas de control, etc. 5. Todas las líneas deben tener aislamiento y trazas de calentamiento, y se especifican para mantener por 2–3 horas la temperatura en el caso de que no haya flujo. La temperatura de calentamiento no necesariamente tiene que ser mayor que la temperatura normal del combustible. 6. Proveer un combustible relativamente liviano para facilitar el desalojo del combustible principal. Proveer conexión de vapor en cada extremo final del circuito del horno para permitir la limpieza de estas líneas. Estas conexiones deben estar a una mínima distancia del sistema principal de combustible. 7. Proveer válvulas automáticas de cierre hermético en las líneas de retorno de los hornos individuales. Estas válvulas se activan simultáneamente con la válvula de control de combustible con la señal proveniente del sistema de seguridad del horno. 8. Proveer indicadores locales de temperatura en las líneas de retorno del sistema principal y en los circuitos individuales de cada horno. 9. Proveer medidores de flujo en las líneas de alimentación y retorno de cada horno. Limpieza del combustible – Se deben instalar filtros de malla fina, diseñados para ser limpiados sin interrumpir el flujo de combustible en todos los sistemas de combustible líquido. Para combustibles residuales y combustibles de alquitrán se deben suministrar filtros auto–limpiantes. Los filtros de protección del tipo convencional son aquellas tipo cesta de malla removible que pueden ser usados para permitir el mantenimiento de los auto–limpiantes. Dos fuentes confiables de filtros autolimpiantes son: 1. Auto–Klean Strainers Limited Lascar Works Hounslow, Middlesex England 2. Cuno Engineering Corporation 80 South Vine Street Meriden, Connecticut 06453 USA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Indice volumen Página 17 Indice norma Los filtros auto–limpiantes (operados por motor) deben estar equipados con dos aletas de limpieza estacionarias y tener una malla suficientemente pequeña para remover todas las partículas de 0.5 mm (0.02 pulg) y mayores. La caída de presión máxima permisible en condición sucia no debe ser mayor de 70 kPa (10 psi). Los filtros deben tener trazas de vapor y aislamiento para mantener la temperatura deseada. Las siguientes características del combustible y del flujo deben ser incluidos en las especificaciones de los filtros: 1. Temperaturas de operación, °C (°F) 2. Temperaturas de diseño, °C (°F) 3. Gravedad específica a la temperatura de operación 4. Viscosidad a la temperatura de operación, mm2/s (cSt) 5. Contenido máximo de azufre, incluyendo % peso de H2S 6. Presión de operación aguas arriba, kPa man (psig) 7. Presión de diseño, kPa man (psig) 8. Flujo, dm3/s (gpm) 6.3 Pilotos Las consideraciones de seguridad requieren protección contra el apagado de la llama de cada quemador. Generalmente, esto se lleva a cabo por medio de pilotos de quema continua de gas, los cuales reencienden inmediatamente el combustible si la llama se apaga. Los detectores de llamas, los cuales cortan el flujo de combustible al quemador, pueden ser usados en instalaciones de tiro forzado si es exigido por el comprador. Esta alternativa es raramente usada debido a que los sistemas de detección son costosos y de difícil mantenimiento.Otras consideraciones adicionales son: Capacidad – Los quemadores pilotos operan a una capacidad nominal de 20.5 a 35.2 kW (70.000 a 120.000 BTU/h) a presiones de combustible de 14 a 100 kPa man. (2 a 15 psig). Combustible – Sólo se puede usar gas combustible limpio y seco. El combustible puede ser suplido desde el sistema de gas combustible del horno principal o preferiblemente desde una fuente independiente y confiable. Si el gas combustible proviene del sistema principal, el gas piloto debe venir desde aguas arriba del control de combustible del horno y las válvulas de bloqueo. Los orificios del flujo de combustible en todos los pilotos son muy pequeños, por lo que se necesita instalar en el sistema de gas piloto un filtro con una malla de 1.3 mm (0.05 pulg). Las alarmas por baja presión del gas piloto deben ser ajustadas a 14 kPa man. (2 psig) y el disparo debe activarse a 7 kPa man. (1 psig). Aire – Los pilotos para los quemadores de tiro natural son del tipo inspiratorio. Para los quemadores principales se puede usar aire del sistema principal o de un MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 18 Indice volumen Indice norma sistema independiente, tal como aire de instrumentos o aire de servicios. Si se utiliza el sistema de aire del quemador, el aire del piloto es tomado aguas arriba de los reguladores de cierre hermético de cada quemador en particular. 6.4 Tubería del quemador La Figura 4. muestra un sistema típico de la tubería de quemadores de tiro forzado. Este sistema permite encender el quemador desde abajo del horno, como también operarlo desde la plataforma. Este sistema puede ser simplificado para los quemadores de tiro natural. 7 SELECCION DEL QUEMADOR 7.1 Tipo de quemador Hornos de pirólisis – Los hornos de craqueo y reformación con vapor queman gas y sus quemadores de llama fina están instalados en el piso. En algunos reformadores con vapor, también se instala una fila de quemadores de radiación montados en la pared. Hornos de procesos – El tipo de quemador requerido dependerá del combustible que vaya a ser quemado, del calor total y de la disponibilidad de aire de combustión precalentado. La siguiente tabla resume las aplicaciones de quemadores recomendados: ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Combustible Gas Calor liberado por el horno, MW (MMBTU/h) Todo Líquido o combinación Líquido o combinación Líquido o combinación <14.7 (50 MM BTU/h) 14.7–23.4 (50–80MM BTU/h) > 23.4 (80 MM BTU/h) Tipo de quemador Recomendado Tiro natural de pre–mezcla o de gas bruto preferiblemente Tiro natural Tiro natural o forzado Tiro forzado En casos donde se tiene un vendedor preferido, se recomienda especificar que el suplidor haga la selección. 1. Quema de gas – Cuando sólo van a ser quemados combustibles gaseosos en hornos de procesos, normalmente se especifican quemadores de gas de tiro natural. El tipo de quemador de gas bruto es preferido, en tanto que para aplicaciones especiales se usan los quemadores pre–mezcla de llama corta, de lo contrario, es preferible utilizar el tipo de quemador de gas bruto. Generalmente, los silenciadores de aire primario sólo disminuyen satisfactoriamente el ruido de los quemadores pre–mezcla. Bajo ciertas condiciones este tipo de quemadores puede también requerir cámaras plenum acústicas. En este caso la selección económica será por los quemadores de fuego centrado de gas bruto. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 19 Indice norma 2. Quema de líquido o combinación – En los hornos que queman combustibles líquidos o una combinación líquido y gas, se usan los mismos tipos de quemadores, lo único que varía es el equipo de la pistola. Este tipo de quemador también debe ser especificado para hornos que queman gas y que en el futuro quemarán combustibles líquidos. 7.2 a. Horno de baja capacidad – Normalmente se especifican quemadores de tiro natural con cámara plenum acústica, para calentado res con una capacidad menor de 14.7 MW (50 MM BTU/h). En estos pequeños hornos no es práctico instalar quemadores de tiro forzado. b. Hornos de capacidad intermedia – Son los hornos con una capacidad de 14.7 a 23.4 MW (50 a 80 MM BTU/h). Normalmente se deben especificar los quemadores de tiro forzado, aunque también pueden usarse quemadores de tiro natural. Estos últimos son menos costosos, pero los quemadores de tiro forzado requieren menos atención del operador y menos mantenimiento; además de brindar un mejor control. c. Hornos de alta capacidad – Los quemadores de tiro forzado, del tipo de alta intensidad son especificados en hornos con capacidad mayor de 23.4 MW (80 MM BTU/h). Número de quemadores Por lo menos tres quemadores deben usarse en cualquier horno que queme líquidos, estos es esencial para evitar interrupciones no deseadas de la operación del proceso. El uso de un solo quemador es satisfactorio en servicios con gases combustibles limpios, ya que el mantenimiento de estos quemadores es despreciable. 7.3 Capacidad del quemador La capacidad máxima de diseño del quemador depende del tipo y número de quemadores que tenga el horno. Quemadores de tiro natural – La capacidad máxima de diseño del quemador debe ser casi igual a la capacidad máxima estipulada por el fabricante (por lo menos 90%). El sobredimensionamiento excesivo del quemador reduce su habilidad de operar eficientemente en condiciones normales de diseño y rango de control, debido a las bajas velocidades del aire y a la mezcla deficiente. La capacidad máxima de diseño es: ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Quemadores quemando solo gas (% capacidad normal de diseño) Hasta 5 quemadores 6 ó más quemadores 115 110 Quemadores quemando líquido o combinaciones de líquido/gas (% capacidad normal de diseño) 125 120 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES .Menú Principal Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 20 Indice norma Normalmente, la capacidad máxima de diseño no debe exceder 4.6 MW (16 MM BTU/h) para los quemadores de tiro natural. ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Quemadores de tiro forzado – La capacidad máxima de diseño es: Hasta 5 quemadores: 6 ó 7 quemadores: 8 ó más quemadores: 7.4 125% de la capacidad normal de diseño 120% de la capacidad normal de diseño 115% de la capacidad normal de diseño Espaciamiento del quemador Hornos de procesos – Los espacios libres (mínimos) quemador–a–tubo y quemador–a–refractario se presentan en el documento PDVSA–MDP–05–F–02 (Hornos: Consideraciones de diseño) El espaciamiento mínimo del quemador es de 25 mm (1 pulg) mayor que su diámetro máximo. Esto aplica en quemadores no montados en cámaras “Plenum” o en aquellos con distribución uniforme de aire. Las dimensiones controladas son generalmente el diámetro de la garganta del quemador y el diámetro de la placa del fondo para quemadores montados en el plenum. Se puede requerir de mayor espacio para los quemadores instalados en las paredes y que reciben todo el aire de combustión por un solo lado (por ejemplo, un anillo de quemadores en un horno cilíndrico vertical). Este incremento en espacio se hace necesario para asegurar una distribución adecuada del flujo de aire alrededor del quemador. Caída de presión del aire – Los quemadores deben mantener cierta distancia de tal forma que el cabezal máximo de velocidad del aire que pasa por el lado de atrás del quemador no exceda en 10% la caída de presión de dicho quemador. La Figura 2. suministra información para determinar el espacio mínimo del quemador. Además de las tolerancias arriba mencionadas, los espacios externos alrededor de los quemadores (incluyendo la estructura del horno, tubería, fundaciones y el ducto del tiro forzado) deben permitir que tanto la pistola como el quemador sean removidos para mantenimiento sin interferir con la operación de cualquier otro quemador. Esto depende principalmente del contratista y el vendedor. Sin embargo, el diseñador del horno debe tener en mente estas consideraciones particularmente cuando se determinan arreglos similares de ductos de tiro forzado. 7.5 Preparación de las especificaciones del diseño del quemador Las especificaciones del quemador deben incluirse en el diseño de todos los hornos. Esta información debe incluir: tamaño del quemador, capacidades normal MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 21 Indice norma y máxima de diseño, y disponibilidad de tiro o presión de aire de combustión en el quemador. La especificación de diseño debe incluir las propiedades del combustible y las presiones disponibles en el quemador. 8 APENDICES Tabla 1 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Direcciones de algunos vendedores de quemadores Quemadores típicos de tiro natural Espacio de quemadores montados sobre una cámara (plenum) Sistema típico de circulación de aceite Arreglo típico de la tubería del quemador para quemadores de tiro forzado MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES .Menú Principal Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 22 Indice norma ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ TABLA 1. DIRECCIONES DE ALGUNOS VENDEDORES DE QUEMADORES Vendor Name: JOHN ZINK CO Nuevo nombre: KOCH INDUSTRIES INC/KOCH ENGINEERING CO INC/ZINK (JOHN) CO 11920 E APACHE PO BOX 21220 TULSA, OK 74121–1220 USA telf.: 918/234–2892 Fax: 918/234–1978 Vendor Name: N A O INC Antiguo nombre: NATIONAL AIROIL BURNER Co. 1284 E SEDGLEY AVE, PHILADELPHIA, PA 19134–1590 USA telf.: 215/743–5300, 800/523–3495 Fax: 215/743–3018, 215/743–3020 Telex: WU 84–5403 Colombia Inclocol LTDA Apartado Aereo 52653, Calle 75 #5836. Barranquilla Colombia telf.: 575–6–456025 Fax: 575–8–580774 V R Ingenieria & Mercadeo Santa Fe de Bogota, Colombia telf.: 571–2–443461 Fax: 571 2–688601 Venezuela Baker Químicas de Venezuela, S A (representative) Apartado 6682 Caracas, 12010A Venezuela telf.:582– 285–6612 fax: 582–285–6223 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen Fig 1. QUEMADORES TIPICOS DE TIRO NATURAL PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 23 Indice norma MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 24 Indice norma Fig 2. ESPACIO DE QUEMADORES MONTADOS SOBRE UNA CAMARA (PLENUM) MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen Fig 3. SISTEMA TIPICO DE CIRCULACION DE ACEITE PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 25 Indice norma MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 26 Indice norma Fig 4. ARREGLO TIPICO DE LA TUBERIA DEL QUEMADOR PARA QUEMADORES DE TIRO FORZADO MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA .Menú Principal TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS QUEMADORES Indice manual Indice volumen PDVSA MDP–05–F–03 REVISION FECHA 0 NOV.95 Página 27 Indice norma NOTAS: 1. La ubicación recomendada de las válvulas de aislamiento del quemador para el gas combustible, aceite combustible y vapor de atomización es adyacentes a las puertas de observación. Esto permite que los ajustes del quemador sean hechos mientras se observa la llama. 2. Los colectores de aceite combustible, gas combustible, gas piloto y líneas deben ser revestidas con aislamiento y con trazas de vapor. Las líneas de vapor de atomización y de aceite combustible deben ser revestidas juntas. 3. Las tuberías de aceite y vapor en el múltiple recibidor deben proveer flexibilidad de ±50 mm (2 pulg) de movimiento vertical; y la tubería del gas en el quemador debe proveer ±12 mm (0,5 pulg) de movimiento vertical. 4. Instalar bridas en toda la tubería de forma tal de poder sacar el quemador para mantenimiento. ubique las bridas aproximadamente 600 mm (24 pulg) del quemador. Las líneas de trazas con vapor deben tener accesorios de compresión en las bridas de la tubería para facilitar su desmantelamiento. 5. Se requieren válvulas de tapón en las líneas de aire y de gas piloto en el quemador. 6. Se requieren drenajes en las líneas de aceite combustible y vapor de atomización. 7. Las válvulas aguas arriba de las bridas de gas combustible, aceite combustible y vapor de atomización están por conveniencia, para vaporizar fuera de la pistola del quemador y apagar el quemador.
