CAPITULO I

Combustión
Industrial
de
GAS
NATURAL
Ing. PERCY CASTILLO NEIRA
LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
COMBUSTIÓN INDUSTRIAL DE
GAS NATURAL
PRESENTACIÓN
El mundo se ha desarrollado en base a la energía química
almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles y
actualmente depende de su disponibilidad, comercialización y
empleo. El Carbón mineral impulso la revolución industrial y
suministró la energía que cambió el mundo en el Siglo XIX; en el
Siglo XX, el petróleo se convirtió en el oro negro que dominó la
civilización y determinó el ritmo de la economía del planeta.
El desarrollo de la tecnología y la evolución de los precios del
petróleo han permitido la explotación, transporte y distribución
del Gas Natural con todas sus ventajas y posibilidades técnicas,
económicas y ecológicas, convirtiéndolo en el combustible del
Siglo XXI.
En este libro se proporciona la base teórica fundamental para
conocer, entender y dominar la tecnología de utilización del gas
natural como combustible económico, eficiente y ecológico, con
el criterio técnico simple, claro y preciso que conviene a los
usuarios, prescindiendo de intereses comerciales.
Aunque esta nueva concepción de la tecnología se basa en
investigación científica, aplicación académica y experiencia de
planta, tales factores han sido utilizados para simplificarla y
ponerla al alcance y comprensión de todos los ingenieros y
técnicos de plantas industriales.
En un mundo totalmente
dependiente de los combustibles
INDICE
fósiles, el Gas Natural es un “maná del cielo” para los países que
tienen la suerte de encontrarlo en su territorio y logran
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aprovecharlo para ipulsar su desarrollo ntegral.
LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
Capítulo I
Teoría Inorgánica de la Combustión
1.1. Materia y Energía
1.2. Combustión orgánica y combustión inorgánica
1.3. Combustibles industriales y su relación Carbono/Hidrógeno
1.4. Calor de disociación y poder calorífico de los combustibles.
1.5. La partícula de carbón como núcleo básico de la combustión industrial
Capítulo II
La Combustión como Reacción Química
2.1. Mecanismo general de las reacciones de combustión
2.2. Esquema básico de la combustión industrial
2.3. Tipos de combustión
2.4. La combustión heterogénea
2.5. El reactor de combustión
Capítulo III
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
La llama como manifestación visible de la combustión
Definición de las características de las partículas de carbón en la llama
Gasodinámica de la combustión y control sobre la formación de llama
Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación
Gases de combustión y transferencia de calor por convección
Capítulo IV
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
La Combustión como Proceso Fisicoquímico
El Aire de Combustión
Aire, combustibles y combustión
El aire como comburente universal
Mecánica de fluidos aplicada a la combustión industrial
Combustión en altura y enriquecimiento del aire
Precalentamiento del aire de combustión
Capítulo V
Caracterización del Gas Natural como Combustible
5.1 Origen y tratamiento del Gas Natural
5.2 Caracterización de gases combustibles
5.3 Características de combustión y llamas de gas natural
5.4 Combustión del Gas Natural
5.5 Análisis Comparativo del Gas Natural con otros combustibles.
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Capítulo VI
Estaciones de Recepción en Plantas Industriales
6.1 Ubicación, características y Normas de instalación
6.2 Diseño y Montaje
6.3. Operación de Limpieza
6.4 Regulación de Presión
6.5 Sistemas de Medición de Flujos
Capítulo VII
Circuito Interno de Distribución
7.1 Red Interior de Tuberías
7.2 Características de tuberías
7.3 Diámetro de tuberías
7.4 Estaciones de Regulación Secundaria
7.5 Comprobación, ensayos y puesta en servicio de la Instalación.
Capítulo VIII
Gas Natural en Calderos Industriales
8.1 Calderos Industriales: Generalidades
8.2 Uso del Gas natural en Calderos de Vapor
8.3 Equipos para calderos industriales
8.4 Conversión de Calderos Pirotubulares al Uso del Gas Natural
8.5 Conversión de Calderos Acuotubulares al uso del Gas Natural
Capítulo IX
Aplicación del Gas Natural en Procesos de Secado
9.1 Generalidades del Secado
9.2 Generación de gases calientes con gas natural
9.3 Aplicaciones industriales del gas natural en secado directo
9.4 Aplicaciones del gas natural en secado indirecto
9.5 Aplicaciones del gas natural en Procesos de Calentamiento
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Capítulo X
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
Calcinación y Clinkerización
El Gas Natural en Hornos De Cal
El Gas Natural en el Horno Cementero
El Gas Natural en Precalcinadores
Quemadores mixtos sin Aire Primario
Capítulo XI
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
Gas Natural en Metalurgia
Hornos de fusión
Hornos de recalentamiento
Hornos de tratamientos térmicos
Gas natural en la metalurgia de metales no férricos
Gas Natural para atmósferas controladas
Capítulo XIII
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
Gas Natural en Siderurgia
Reducción directa del mineral
Altos hornos
Hornos de Arco eléctrico
Calentamiento de cucharas
Hornos de calentamiento de palanquillas
Capítulo XII
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
Gas Natural en Hornos de Cal y Cemento
Gas Natural en la Industria del Vidrio y Cerámica
Aplicación del Gas Natural en Hornos de Balsa
Aplicación del Gas Natural en Hornos de Crisol
Usos del Gas Natural en Operaciones Conexas a los Hornos de Vidrio
Gas Natural en el secado de la industria cerámica
Gas Natural en la Climatización de Ambientes Industriales
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Capítulo 14
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
Máquinas térmicas y Motores Endotérmicos
Gas Natural en Automotores: Ciclos Otto y Diesel
Gas Natural en Turbinas de Gas : Ciclo Brayton
Análisis Termodinámico de la Conversión de Motores Endotérmicos al Gas
Natural
Cogeneración con Gas Natural
Capítulo 15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
El Uso del Gas Natural en Motores Endotérmicos
Sistemas Alternativos al suministro por Gasoductos
Análisis de la confiabilidad del suministro de Gas Natural por Gasoductos
Gasoducto Virtual por GNC
Gasoducto Virtual por GNL
Análisis comparativo de Gasoductos Virtuales
Sistemas de Gas Natural Alternativo para Emergencias (Back Up)
ANEXOS
Anexo 1 : Tabla de Conversión
Anexo 2 : Glosario
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Capítulo I
TEORÍA INORGÁNICA DE
LA COMBUSTIÓN
1.1
Un descubrimiento extraordinario
Para quienes trabajamos en proyectos de optimización energética de procesos industriales,
el primer principio termodinámico que establece que la materia y energía no se crean ni se
destruyen, nos proporciona como herramienta fundamental la elaboración de balances de
materia y energía.
Al comprobar que existía una diferencia de 21.500 Kcal/Kmol entre el poder calorífico del
metano calculado estequiométricamente y el determinado en bomba calorimétrica,
conscientes de que la materia y energía no se crean ni se destruyen, nos propusimos
encontrarlas (Figura 1.1).
Al encontrar en el Manual del Ingeniero Químico de Perry que la energía de disociación
del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar la misma coincidencia en cualquier otro
hidrocarburo, descubrimos el hecho extraordinario de que todos los combustibles, mezclas
carbono/hidrógeno con contenidos variables de impurezas,
se disocian en sus
componentes antes de quemarse, lo que significa que la combustión siempre se producirá
en forma elemental y básica, a través de las reacciones :
C + O2 = CO2
y
2H2 + O2 = 2H2O
Todos los combustibles industriales, sin excepción, siempre se quemarán en la misma
forma, no interesando para fines prácticos las múltiples posibilidades de reacciones
intermedias, lo cual simplifica totalmente la concepción, análisis, evaluación y control de
la combustión.
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LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
La Química Orgánica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono,
aprovechando la extraordinaria capacidad de combinación que le permite su tetravalencia;
al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la
combustión se producirá por oxidación del Hidrógeno y el Carbono, en el campo
inorgánico, resultando el nombre más adecuado para esta formidable simplificación
tecnológica: ―Teoría Inorgánica de la Combustión‖ pudiendo ser enunciada en la siguiente
forma:.
―Todos los combustibles industriales son combinaciones
carbono/hidrógeno y se disocian en sus componentes
antes de quemarse, produciéndose la combustión
siempre en forma básica y elemental: C + O2 = CO2 y
2H2 + O2 = 2H2O”
Figura 1.1
1.2
La partícula de carbón elemental como núcleo básico de la combustión
industrial
Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrógeno, con contenidos
variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre se
disocian y reaccionan en forma elemental, siempre existirá una proporción de carbón
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Ing. Percy Castillo Neira
que reaccione como sólido. La excepción podría ser el propio Hidrógeno, pero no
constituye un combustible industrial.
Para sustentar esta hipótesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de
fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 °C respectivamente, temperaturas que
no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producirá la combustión
de las partículas de carbón en forma heterogénea.
La reacción sólido-gas, típica de la combustión de la partícula de carbón, se efectúa por
difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO
producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde
completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas.
COMBUSTIÓN INORGÁNICA :
REACCIÓN HETEROGÉNEA
Figura 1.2
LA PARTÍCULA
DE CARBONO,
VERDADERO
NUCLEO DE LA
COMBUSTIÓN
La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original,
influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilización de la partícula
sólida cuando se trata de carbón mineral, el craqueo y gasificación de gotas en el caso
de combustibles líquidos, y el craqueo de gases combustibles.
El hidrógeno reacciona en forma homogénea (gas-gas) en una combustión instantánea,
aportando calor y vapor de agua. El carbón reacciona por difusión térmica y molecular en
un proceso de combustión heterogénea.
En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del
hidrógeno por 2 razones fundamentales:
La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre
sensiblemente mayor.
El combustible más liviano es el metano (CH4) con una relación Carbono/Hidrógeno
igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso
del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%.
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La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición,
mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios
segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo
CO y la de éste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagación de la
llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en
milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de
tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.
Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de
carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión
resultará determinada por estas últimas y solamente influencieada por la velocidad de
reacción del hidrógeno del hidrógeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta
casi exclusivamente dependiente de la combustión de la partícula de carbono (carbón).
El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido :
En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas(500 A°), su
combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el
caso del Combustóleo, Petróleo residual o Fuel Oil, las partículas de carbón producto
del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable (10-100 micras), demorando
más su combustión, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamaño de partículas de
carbón mineral se maneja y controla durante la molienda, en función de su contenido de
volátiles (10-100 micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas
siempre luminosas y emisivas (Figura 1.3).
Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3
combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del
carbón siempre en forma heterogénea.
Combustión
de Volátiles
Molienda
de Carbón
Coque
(30 - 40
Figura 1.3
Ventilador
Atomización
Almacenamiento
de Combustóleo
Bomba
Regulación de
Gas Natural
Hollín
(<1
Coque
(30 - 40
Calentador
Disociación
del Metano
Hollín
(<1
El tamaño de la
partícula de
carbono se
determina en las
operaciones de
precombustión
1.3 El aire siempre resulta más importante que el combustible en la
combustión
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El control de la combustión y
formación de llama es un
problema de mecánica de fluidos
en el cual el aire constituye el flujo
dominante.
La tecnología de la combustión se define y maneja en 3 campos fundamentales de la
Ingeniería. Cinética Química, Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor.
La cinética química determina la forma en que se desarrolla la combustión como
reacción química
y la transferencia de calor establece las condiciones de
aprovechamiento del calor generado, pero la forma y características de la llama, el
manejo y control sobre la combustión constituye fundamentalmente un problema de
mecánica de fluidos.
Al definir que todos los combustibles terminan quemando como partículas de carbono,
verdadero núcleo de la combustión, podemos establecer que las mismas se ponen a
disposición del aire como flujo dominante. El aire aporta la energía cinética para crear
las condiciones de turbulencia
y mezcla requeridas, mantener las partículas
quemándose en suspensión al interior de la llama y desplazar los gases de combustión
para mantener la disposición de oxígeno y mantener estables las condiciones del
proceso.
El diseño del quemador debe establecer estas condiciones, dependiendo la capacidad de
generación de calor de la capacidad del ventilador para aportar el aire de combustión y
la energía cinética requerida para desarrollar la combustión en la forma prevista para
cada caso. Siendo también el gas combustible un fluido, también podría funcionar como
flujo dominante, pero al requerir la combustión como reacción química alrededor de
diez veces más volúmenes de aire que gas, tendría que manejarse a muy alta velocidad
el gas para aportar el impulso requerido; este es el caso de los quemadores supersónicos
de gas natural.
La condición de fuente inagotable de oxígeno y su permanente disponibilidad en
cualquier condición de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave error
de minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnología de la combustión.
La mayor incidencia económica del combustible en el costo del aporte energético que
produce la combustión resulta un factor decisivo en este sentido. Al desarrollarse el
campo de la conservación de energía como respuesta a la crisis energética y la elevación
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de los precios del petróleo, se dedicó mayor atención a todos los aspectos vinculados a
los combustibles, considerándolos componentes fundamentales de la combustión.
La teoría inorgánica de la combustión no solamente reivindica el aire como comburente.
Al considerar que el átomo de carbono es el núcleo de la combustión y que su reacción
es siempre heterogénea, establece como factor dinámico el componente fluido y como
elemento estático la partícula sólida de carbón. Así, se puede afirmar que cuando se
quema combustibles sólidos y líquidos, la combustión se controla mediante la
regulación del flujo de aire. En el caso del gas natural y otros combustibles gaseosos,
ambos fluidos pueden compartir tal preponderancia en lo referente a la formación de
llama, pero en el desarrollo de la combustión, el aire siempre resultará preponderante.
1.4 APLICACIONES DE LA TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN.
1.4.1
En el campo científico
La dependencia mundial de los combustibles fósiles y la declinación de sus reservas
mundiales plantea un enorme reto a la comunidad científica. Al restringir el universo de
la combustión al campo inorgánico y demostrar que siempre se realiza en forma
elemental y heterogénea, la Teoría Inorgánica de la Combustión facilita esta tarea y
define con claridad la necesidad de algunos campos específicos de investigación pura y
aplicada. Podemos mencionar algunos temas de verdadero interés y presumible
importancia:
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Análisis de los factores que influencian la disociación térmica de compuestos
orgánicos.
Formulación de aditivos para mejorar el comportamiento antidetonante (Indice
de Octano) o la velocidad de ignición (Indice de Cetano) de combustibles,
estabilizando la estructura molecular de los compuestos formados.
Investigación del efecto de procedimientos físicos (campos eléctricos,
paramagnéticos, microondas,etc.) sobre el comportamiento antidetonante
(Indice de Octano) o la velocidad de ignición (Indice de Cetano) de
combustibles, estabilizando la estructura molecular de los compuestos
formados.
Análisis de los factores que influencian la reactividad del coque que producen
todos los combustible al disociarse antes de la combustión.
Evaluación de la capacidad de Transesterización de aceites vegetales y grasas
animales para producción de BioDiesel.
1.4.2 En el campo académico
El desarrollo de la tecnología de la combustión en el siglo XX ha resultado totalmente
distorsionada por investigación científica y tecnológica alejada de la realidad y sometida
a intereses comerciales, produciendo un monstruo gigantesco y complejo inaplicable en
la enseñanza escolar y casi inexistente en la formación universitaria.
La combustión es el proceso fisicoquímico más importante del planeta y tiene que ver
con todas las formas de actividad humana, por lo cual debe incluirse en todas las etapas
de formación académica
Desde la educación inicial y con una presentación adecuada, los conceptos de la Teoría
Inorgánica de la Combustión permitirían introducir a los alumnos al conocimiento de
las leyes de la naturaleza y los principios que determinan el principio y el
mantenimiento del medio ambiente y de la vida.
La Teoría Inorgánica de la Combustión debe enseñarse en el nivel secundario,
constituyendo un conocimiento básico general indispensable.
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En la formación profesional, debe formar parte de un Curso General de Combustión
obligatorio y Cursos Electivos sobre su aplicación en sectores especializados. La
importancia de este campo justifica la creación de la Ingeniería de la Combustión como
una profesión individual.
1.4.3 En la Actividad Industrial
La simplificación de la Tecnologia de la Combustión pone al alcance de todos los
ingenieros y técnicos de plantas industriales la posibilidad de conocer, entender y
dominar los procesos de combustión que manejan, permitiéndoles optimizar los
procesos y operaciones unitarias vinculados con la utilización de esta fuente
energética.
En este campo, la Teoría Inorgánica de la Combustión ya no es una novedad;
durante los últimos diez años, hemos dictado decenas de cursos y dirigido cientos
de proyectos de optimización de procesos de combustión en la mayoría de los
países latinoamericanos, en los cuales ya se ha difundido y aplicado.
En cada una de estas oportunidades hemos recibido valiosos aportes y confirmado
la plena validez de sus postulados, consiguiendo importantes resultados.
Trabajando en forma conjunta con el personal de plantas industriales hemos
simplificado y mejorado el diseño de quemadores, implementado innovaciones
tecnológicas en procesos, eliminado operaciones innecesarias, etc. consiguiendo
siempre producciones más limpias, eficientes y económicas, atacando la raíz del
problema en lugar de administras sus consecuencias (Figura 1.5).
Figura 1.5
Modificación del diseño
del quemador en el
Horno de INC-Paraguay.
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LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
Existe un mundo de posibilidades de optimización de la combustión en plantas
industriales, manejando adecuadamente el factor más importante: sus propios
recursos humanos.
1.4.4 En el campo tecnológico
La Teoría Inorgánica de la Combustión abre inmensas posibilidades de innovación
tecnológica en el diseño de quemadores, reactores, operaciones y procesos unitarios,
representando grandes posibilidades de optimización de costos de inversión, operación
y mantenimiento.
Su aplicación en todos los sectores productivos representa una oportunidad de
investigación aplicada para conseguir mejores condiciones de competitividad,
sustituyendo tecnología innecesariamente complicada por el manejo práctico y efectivo
que permite la concepción simple, clara y precisa de la combustión inorgánica.
Al demostrar que todos los combustibles se queman en la misma forma, permite
considerar nuevas posibilidades de utilización de nuevos combustibles. Desarollando
tecnologías apropiadas para cada caso específico.
1.4.5 En el campo Ecológico
La ineficiencia de combustión y consecuente presencia de inquemados en medios
urbanos y plantas industriales representa el factor contaminante más grave en los países
que no exigen el estricto cumplimiento de las normas de control ambiental.
La Teoría Inorgánica de la Combustión demuestra que la combustión siempre puede y
debe completarse, por lo cual la emisión de inquemados resulta inaceptable.
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LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
El demostrar que todos los combustibles son lo mismo para efectos de carácter
energético, nos permitirá priorizar la utilización de los que resulten menos
contaminantes y plantear nuevas alternativas de sustitución de combustibles fósiles que
preserven el equilibrio ecológico.
1.5 PROYECCIÓN DE LA TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN
El problema energético mundial consiste básicamente en el almacenamiento de energía
y las reservas de hidrocarburos son almacenes de energía química irremplazables en las
condiciones que han sido procesadas por la naturaleza, pero reproducibles en
condiciones más controladas y utilizando insumos renovables.
Al demostrar la Teoría Inorgánica de la Combustión que todos los combustibles son
básicamente lo mismo y que todos se queman en la misma forma, facilita esta tarea,
permitiendo plantear como alternativa energética inmediata la misma energía química
generada a partir de la energía del sol.
La fotosíntesis resulta el procedimiento que permite hacer realidad este proyecto y ya se
plantea como una alternativa viable la generación de cultivos que permitan disponer de
compuestos orgánicos que puedan convertirse en combustibles similares a los actuales.
La producción de Etanol y Biodiesel para sustituir respectivamente a las gasolinas y al
Diesel ya son una realidad, pero constituyen solamente el inicio de un campo de
investigación que marcará los años venideros y podría cambiar la historia mundial.
Cualquier alternativa de suministro energético que no utilice este maravilloso proceso
natural estará condenado al fracaso por el costo que representa sustituirlo.
La Teoría Inorgánica de la Combustión, al señalar que la disociación molecular
determina el comportamiento de los combustibles en cuanto a sus características de
ignición, establece las pautas a seguir para conseguir las materias primas y los procesos
más adecuados para convertirlas en combustibles apropiados para cada tipo de empleo.
La energía del Hidrógeno, considerada la alternativa del futuro, nos permite demostrar
la utilidad de los conceptos de la Teoría Inorgánica, al comparar las energías de
disociación del agua y del metano, para explicar porque el desarrollo actual de las
células de hidrógeno considera su obtención a partir del gas natural agotable y caro,
comparado con lo que representaría el agua como insumo para esta tecnología.
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CAPITULO
II
LA
COMBUSTIÓN COMO
REACCIÓN QUÍMICA
2.1 Mecanismo general de las reacciones de combustión
Para efectos del presente libro, hemos definido que los combustibles industriales
son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido, también
variable, de impurezas.
El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o
gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se
disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible.
En el Cuadro 2.1 se muestran las principales reacciones de combustión que se
presentan en la práctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que se
encuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarse
en los únicos productos finales de combustión, esto es, CO2 y H2O.
Cuadro 2.1 Principales Reacciones de Combustión
CARBONO
CARBONO
MONOXIDO DE CARBONO
HIDROGENO
AZUFRE
METANO
ETANO
C + O2 -------C + ½ O2 -----CO + ½ O2 ---H2 + ½ O2 ----
CO2 + 97600
CO + 29400
CO2 + 68200
H2O + 58200
+ 69100
S+ O2 --------- SO2 +138600
Kcal por Kmol
Kcal
Kcal
Kcal (vapor)
Kcal (liquido)
Kcal
CH4 + 2O2 ---- CO2 + H2O + 192500 Kcal (vapor)
+ 214300 Kcal (líquido)
C2H6+7/2 O2 ----------- 2CO2 + 3H20 + 342000 Kcal (vapor)
+ 373600 Kcal
(líquido)
PROPANO
BUTANO
(vapor)
C3 H8 + 5O2 ------------ 3C02 + 4H20 + 485100 Kcal (vapor)
+ 528700 Kcal (líquido)
C4H10 + 13/2 O2 -------- 4CO2 + 5H2O + 625700 Kcal
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+ 680200 Kcal
(líquido)
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En realidad, las reacciones de combustión del carbono y del hidrógeno con el
oxígeno, son siempre elementales y únicas :
C + O2
H2 + ½ O2
CO2
H20
Sea cual fuere el compuesto químico que se encuentre en el combustible, se
disociará en C y H reaccionando en la forma elemental.
Esta concepción simple y básica, pero a la vez práctica y efectiva de las
reacciones de combustión, permite efectuar con rapidez y precisión los cálculos
estequiométricos que facilitarán su adecuado manejo y control.
Sea un combustible que tenga una composición por kg. de C Kg. de carbono y H2
kg de hidrógeno.
Para la combustión de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m3 de oxígeno; para
C kg. de carbono se necesitarán :
22,4 x (C/12) = 1,87 x C m3 de O2
Para la combustión de 2 kg. de hidrógeno, se necesitan 11,2m3 de oxígeno, luego
para H2 kg. de hidrógeno se necesitarán :
11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2 m3 de O2
Por consiguiente, para la combustión de 1 kg. de combustible, el oxígeno mínimo
necesario estequiométrico, sería la suma del necesario para la combustión del
carbono y el hidrógeno, es decir:
O2m = 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxígeno
Como la composición en volumen del aire es aproximadamente del 21% de
oxígeno y 79% de nitrógeno, se tiene que el aire mínimo necesario será :
Am = 100 O2m = 4,76 O2m
21
Por lo tanto el aire estequiométrico necesario por kg. de combustible será :
Am = 8,90 C + 26,67 H2 (m3 de aire)
Este volumen de aire está referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg.
de presión)
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Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrógeno,
es decir :
C = 0,88 y H = 0,12
El aire estequiométrico requerido para la combustión será :
Am = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3 de aire.
En la Figura 2.1 se presenta un nomograma que permite la directa determinación
de los poderes caloríficos de cualquier combustible industrial, conociendo su
relación carbono/hidrógeno.
El conocimiento del calor de disociación de cualquier combinación de carbono e
Hidrógeno, permitirá conocer directamente su poder calorífico, restándolo de la
suma de los calores de reacción de los elementos disociados (carbono e
Hidrógeno) en forma individual.
Figura 2.1 Poder Calorífico Inferior en función de la relación (carbono / Hidrógeno)
P.C.I. (kcal/kg)
12000
11000
10000
9000
3
4
5
6
7
8
RELACION (C/H)
Analicemos como un ejemplo típico el caso de la combustión del metano que se
mostró gráficamente en la Figura 1.5 y se desarrolla en la siguiente forma :
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O
H = - 192.500 kcal/kmol
En la cámara de combustión el CH4 se disociará en 2H2 y C elemental. El H2
reaccionará violentamente aportando importantes cantidades de calor y formando
H2O.
2 H2 + O2
2 H2O
H = - 116.400 kcal/kmol
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El carbón atómico producto de disociación, en presencia de oxígeno, formará
rápidamente CO y completará la reacción de combustión en fase gaseosa,
formando CO2 como producto final de combustión y aportando la cantidad
correspondiente de calor.
C + O2
CO2
H = - 97.600 kcal/kmol
La cantidad total de calor liberada será la suma de las aportadas por la
combustión de ambos en forma individual (214.000 kcal), menos la invertida para
disociar su composición original, de acuerdo a la siguiente reacción :
CH4
C + 2 H2
H = 20.900 kcal/mol
La diferencia (193.100 kcal/mol) resultará un valor muy aproximado al poder
calorífico del metano (192.500kcal/mol) determinado en el laboratorio.
Cuadro 2.2
Poder Calorífico de combustibles en función de la relación
(Carbono/hidrógeno)
Combustible
Relación (C/H)
P.C.I. (kcal/kg)
Metano
3
4
4,5
4,8
5
5,5
6,5
7,5
8,1
11971
11362
11094
10944
10851
10476
10079
9706
9690
Propano
Diesel 2
Residual
En el Cuadro 2.2 se presentan los poderes caloríficos que corresponden a cada
combustible en función de su relación carbono/hidrógeno, sus calores de
disociación y el poder calorífico real producto de la diferencia de ambos, para los
combustible más conocidos y utilizados en la práctica industrial.
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2.2 Esquema básico de la combustión industrial
Los procesos de combustión en instalaciones industriales siempre obedecen a
un esquema básico, cuyo conocimiento y comprensión resultan la llave maestra
para acceder a cualquier proceso de combustión que se desee conocer y
mejorar.
En la Figura 2.2 se muestra el esquema básico de la combustión industrial, en el
cual se establece que una buena combustión requiere 3 puntos fundamentales:
Figura 2.2 Diagrama esquematico de la Combustión industrial
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a) Proporción correcta aire - combustible
El diseño del quemador deberá asegurar el suministro de las cantidades
adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo márgenes de
regulación para ambos.
Para asegurar la combustión completa deberá proporcionarse un exceso de
aire, procurando que sea lo mínimo que resulte posible.
El análisis de los gases de combustión permitirá conocer el exceso de aire y la
eficiencia de la combustión.
En función del análisis de gases en forma manual o automatizada, se deberá
efectuar ajustes en las variables de operación, controlando los resultados obtenidos.
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión
completa.
b) Mezcla adecuada aire combustible
El diseño del quemador deberá proporcionar las condiciones de mezcla airecombustible más adecuadas para cada caso.
La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación
dentro de los márgenes de operación.
El objetivo principal de la mezcla será el lograr el máximo contacto superficial
entre oxígeno y combustible.
El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas que
permitan preparar el combustible (pulverización, atomización, vaporización) en
el caso de sólidos y líquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para
cada caso.
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión
óptima.
c) Ignición inicial y sostenida de la mezcla
El encendido o ignición inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una
fuente externa.
Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la
reacción.
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La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición,
variable para cada combustible.
Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los
alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externa.
Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión
auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso.
El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirán :
Lograr el máximo aprovechamiento del poder calorífico del combustible
utilizado.
Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de
combustible y las condiciones operativas técnica y económicamente más
adecuadas.
Esta condición de máxima eficiencia, sin embargo, siempre resultará inestable
por depender de una serie de variables interdependientes entre sí e influenciables
por factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema
dependerá de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo,
orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso.
2.3 Tipos de combustión
El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del
carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con
lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos
contaminantes.
La combustión podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus
productos y por la forma en que se realiza.
2.3.1 En función de sus productos
Se puede considerar los siguientes tipos de combustión:
Combustión perfecta (estequiométrica)
Combustión completa (con exceso de aire)
Combustión incompleta (con defecto de aire)
Combustión imperfecta (pseudo combustión)
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a) Combustión Perfecta Estequiométrica (Figura 2.3)
Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades
exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en
forma completa y perfecta.
Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por
condiciones químicas y físicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de
reacciones perfectamente estequiométricas.
Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la combustión, etc. en función
de la composición del combustible y el comburente empleados.
Figura 2.3 Combustión perfecta estequiométrica
b) Combustión completa con exceso de aire (Figura 2.4)
Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de monóxido de
carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporción de
oxígeno superior a la teórica. Este exceso de aire conlleva especialmente 2
efectos importantes en cuanto al proceso de la combustión:
Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de
gases en la combustión.
Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados
respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de
la combustión.
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El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico estequiométrico,
el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustión del
120% respecto al estequiométrico, se expresará como 20% de exceso de aire. El
índice de exceso de aire (n), también empleado en la práctica, será en este caso:
n = 1.2.
Figura 2.4 Combustión completa con exceso de aire
c) Combustión incompleta con defecto de aire (Figura 2.5)
Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del teórico
necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de
carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros.
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Figura 2.5 Combustión incompleta con defecto de aire
Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la
atmósfera contienen aún apreciable contenido calorífico, las pérdidas por
combustión incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del
necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante del
exceso de aire necesario.
La presencia de CO en los humos crea además el riesgo de explosión, al llegar a
atmósferas súbitamente oxidantes.
Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4% del
poder calorífico del combustible.
d) Combustión imperfecta (Figura 2.6)
Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante cuando
pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión,
apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta,
tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas,
etc.
Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas:
La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la potencia
calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.
La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible,
lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o
por estar trabajando a una fracción muy pequeña de su potencia nominal.
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La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos, ya que
cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil es que
se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro necesita un
tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo.
El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla airecombustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente de la
cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también cuando se
trabaja con un gran exceso de aire.
El alto porcentaje de carbono en los combustibles.
En la práctica, este es el tipo de combustión más generalizado por resultar más
ajustado a la realidad.
En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las
condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se
logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes.
Figura 2.6 Combustión imperfecta
2.3.2 Por la forma en que se realiza
Siendo siempre la reacción elemental la que se produce en la práctica industrial,
puede presentarse el combustible en estado sólido, líquido o gaseoso, lo cual
determina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto y
reacción con el comburente.
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El conocimiento práctico y estudio teórico de las reacciones de combustión, nos
permiten también simplificar en este campo, definiendo que existen únicamente
dos tipos de combustión :
- Reacción Homogénea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrógeno y CO
con el oxígeno para dar lugar a H20 y CO2.
- Reacción Heterogénea SOLIDO-GAS; típica del carbón en cualquiera de sus
formas, que se produce por difusión térmica y molecular en el entorno de la
partícula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO2.
a) Reacción Homogénea Gas-Gas
El mecanismo general de las reacciones de combustión que hemos definido para
el ámbito de la combustión industrial nos permite establecer que sólo nos
interesan las reacciones que se producen entre el Hidrógeno y el CO del
combustible con el oxígeno del aire.
En la reacción homogénea que se produce entre estos elementos, resultará
determinante el nivel de contacto entre reactantes; tratándose de gases que
incrementan su volumen y turbulencia a medida que elevan sus niveles
termodinámicos, resultará determinante para el control de la combustión el diseño
de la cámara de combustión que permita un adecuado flujo de los productos de la
combustión, manteniendo condiciones estables de la atmósfera en la que se
realizan las reacciones de combustión.
Las llamas características de la combustión de gases tiene una apariencia
azulada, propiciada por la presencia de productos intermedios de combustión o
no presentan coloración alguna en el espectro visible.
b) Reacción Heterogénea sólido gas
Es la que se produce en el entorno de la partícula de carbono para formación de
CO y subsecuente combustión con el oxígeno para formar CO2.
Los factores determinantes de la velocidad de reacción en este caso dependerán
del tamaño de partícula y la disponibilidad de oxígeno en su entorno.
Debido a que la velocidad con que se efectúan las reacciones homogéneas de H2
y CO es muy alta, la velocidad con que se efectúa la reacción sólido gas del
carbón resulta determinante del proceso en la gran mayoría de casos que se
presentan en la combustión industrial, aún tratándose de combustibles gaseosos.
En cierta forma, siempre se produce cierto nivel de coexistencia de ambos tipos
de combustión, como se verá al efectuar un análisis más detallado cuando, se
trate en forma individual la combustión de sólidos, líquidos y gases.
2.4
Mecanismo de la reacción heterogénea
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Definida la reacción heterogénea como el punto de convergencia ineludible de
todas las formas de combustión industrial y representando el factor
fundamental de control del proceso, resultará de la mayor importancia conocer
el mecanismo a través del cual se produce la oxidación de la partícula de
carbón.
La reacción se inicia en la superficie de la partícula al ponerse en contacto los
átomos de carbono y las moléculas de oxígeno, generalmente contenido en el
aire, que actúa como comburente y se alcanzan las condiciones mínimas para
desencadenar la reacción.
A temperatura ambiente, el carbón en contacto con el aire ya se encuentra
reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la
escasa cinética de la reacción. Para cumplir las exigencias de aporte de calor
en los procesos industriales, la reacción tiene que ser violenta y para ello se
debe llegar a la ignición, con la que la que se inicia la llama cuando se emiten
suficientes gases de CO por reacción superficial.
La oxidación completa se produce en 2 etapas:
Etapa 1:
La reacción heterogénea propiamente dicha:
C + ½ O2
CO
+ 31,500 kcal/mol
Al reaccionar el C con O2 forma CO que se desprende como gas.
Etapa 2:
La reacción entre el CO desprendido y el O2 disponible en el medio.
CO + ½ O2
CO2
+ 62,500 kcal/mol
La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original,
influenciando su calentamiento hasta este punto la desvolatilización de la
partícula sólida, el craqueo y gasificación de gotas, y el craqueo de gases.
Difusión térmica del calor desde el medio hacia el interior de la partícula
para favorecer el calentamiento que acelere la cinética de la reacción
heterogénea que se produce en la superficie de la partícula.
Difusión molecular del oxígeno hacia la película que rodea la partícula y el
interior de los poros dejados por la sálida de volátiles.
Difusión molecular del CO producido en la superficie hacia el medio donde
completa su reacción convirtiéndose en CO2 .
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En la Figura 2.7 se muestra la forma en que se desarrolla la combustión
heterogénea, hasta completar la combustión cuando la partícula de carbón ha
desaparecido.
Figura 2.7 Combustión Heterogénea
Los parámetros que permiten caracterizar la partícula de carbón en cuanto a su
comportamiento durante el proceso de combustión son los siguientes:
a) Tamaño de partícula: Expresado como diámetro promedio en micras,
resulta determinante de la velocidad de reacción y liberación de calor.
Se planifica en la molienda de carbón pulverizado en función de la formación
de llama que se debe adecuar a la cámara de combustión y el proceso.
En el caso de combustibles líquidos resulta determinado por el tamaño de
gotas atomizadas por el quemador y las condiciones de progresión térmica en
el reactor. Si las gotas se craquean antes de vaporizarse, las partículas
alcanzarán algunas decenas de micras; si se craquean como gases, el tamaño
de las partículas será apenas de unas centenas de Angstrons.
En la combustión de gases, al producirse el craqueo en fase gaseosa, el
tamaño de partícula siempre será inferior a 1 micra (400-500 Aº).
b) Porosidad: Influencia la velocidad de reacción al incrementar la superficie
de contacto para calentamiento y reacción heterogénea.
En los carbones minerales depende de su naturaleza y rango, marcado por su
nivel de desgasificación previo efectuado por la naturaleza o coquización
artificial.
En los líquidos la volatilización y desgasificación se produce simultáneamente,
por lo cual la porosidad se presume en función de la naturaleza del combustible
atomizado.
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Cuando se trata de gas natural, el tamaño microscópico de las partículas resta
importancia a su porosidad.
c) Contenido de volátiles: Al gasificarse y quemarse con relativa facilidad, los
volátiles influencian la velocidad de calentamiento de la partícula y por tanto la
cinética de la reacción heterogénea, disminuyendo el tiempo de reacción para
un mismo tamaño de partícula.
d) Reactividad: Depende de las características superficiales de la partícula y
de la presencia de centros activos de reacción, caracterizados por
irregularidades propiciadas por rugosidades, concentración de combinaciones
del oxígeno, hidrógeno, azufre, etc.
Las características térmicas de la partícula, tales como su calor específico,
conductividad térmica y su estabilidad de volumen (hinchamiento y crepitación)
al calentarse, influencian directamente su reactividad en presencia de oxígeno.
2.5
El reactor de combustión
La combustión en una atmósfera libre puede efectuarse con fines de iluminación,
aprovechando la energía luminosa de la llama de difusión, pero con fines de
aprovechamiento térmico representa niveles demasiado bajos de
aprovechamiento energético, aceptables solamente en el campo artesanal. En
actividades industriales, las exigencias de concentración térmica y costos
establecen la necesidad de que las reacciones de combustión se efectúen en el
interior de un reactor llamado comunmente hogar o cámara de combustión.
El diseño de reactores de combustión obedece principalmente a criterios
vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de
calor requerida.
El diseño de un reactor ideal para asegurar combustión completa podría ser
definido en los siguientes términos y/o condiciones:
Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo ésta del tiempo de
reacción de las partículas de carbón, en la medida que se acelere la cinética
de la reacción con temperatura y turbulencia, podrá acortarse el tiempo de
reacción completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.
Volumen útil : Se podrá acortar la longitud del reactor en la medida que se
acorte la llama, pero al hacerlo podría abrirse en forma cónica determinando
que el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama
sobre las paredes. En la medida que se logre formar una llama más compacta
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se podrá reducir el volúmen útil requerido de reactor. El impulso rotacional y el
difusor cumplen esta función.
Concentración de calor: Un reactor ideal tendría que ser concebido
construído con paredes de material refractario de la mayor reflectividad con
capacidad para absorber calor y reflejarlo, manteniéndose en equilibrio
térmico. La forma del reactor también presentaría el mejor comportamiento
con un diseño cónico o cilíndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad de
calor en el centro de la llama.
Siendo desarrollado el proceso de la combustión en reactores que normalmente
dependen del proceso, los casos más frecuentes en los equipos más difundidos
en la industria : Hornos y Calderos. Analicemos las características de los
reactores de combustión en los tipos más frecuentes :
a) Hornos rotatorios : En estos reactores de forma cilíndrica la llama se forma a
partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder
alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero
igualmente tendrá que disponer de suficiente impulso total para mantenerla
centrada y el diseño del quemador tendrá que permitir la formación de llama
cónica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes.
Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volúmen útil más
conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentración térmica.
Las características del proceso influencian la concentración de calor; así existe
una gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos
de cal (reacción endotérmica) y de clínker para cemento (reacción exotérmica).
En los secadores rotatorios también se presenta menor concentración de calor y
temperaturas de llama por ser la vaporización fuertemente endotérmica.
b) Hornos de fundición : En este tipo de hornos el reactor está muy lejos de
constituir un diseño ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en
el piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta
fusión por transferencia de calor por radiación y en menor medida por
convección.
El nivel de concentración térmica es alto debido a los niveles de temperatura,
pero las pérdidas por radiación en las paredes y el techo también son altas. Una
mejora considerable de estos hornos como reactores de combustión se ha
logrado incorporando mayor número de quemadores en las paredes y en el
techo.
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Hornos de Fundición
Los hornos de calentamiento presentan características semejantes como
reactores de combustión, pero con menores niveles térmicos.
c) Hornos verticales : En este tipo de hornos el volúmen util para la reacción
resulta muy limitado , estando por ello muy lejos de presentar condiciones ideales
como reactor de combustión. La utilización de combustibles muy fáciles de
quemar, precombustión en troneras auxiliares y diseño de hornos con planos
inclinados que permitan alojar llamas han sido alternativas aplicadas con éxito. La
incorporación del combustible con el material en proceso convierte a todo el
horno en reactor, pero con eficiencia muy variada en cada etapa del proceso.
d) Calderos pirotubulares
En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustión de material
refractario, orientando su diseño a losgrar combustión completa, aprovechando el
calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por convección.
Las exigencias de optimización energética y de diseño han orientado la tendencia
en calderos a ubicar la llama en cámaras de agua (fleur) y ubicar paredes
húmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua que
refrigeran y se calientan simultáneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la
combustión para asegurar combustión completa, cada vez más difícil por la
menor concentración de calor.
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e) Calderos acuotubulares
Las cámaras de combustión en estos calderos están formadas por tubos de agua
cada vez más compactos, complicando su función como reactores de
combustión. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidad
para formar llamas cada vez más turbulentas y compactas, lo que se ha logrado
creando una zona de menor presión en la zona central de la llama (llama cónica
hueca).
Los calderos de alta capacidad con grandes cámaras de combustión y un gran
número de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de
transferencia de calor por radiación desde la llama a los tubos de agua que
forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y
aprovechamiento térmico a los aplicados en los hornos de fundición.
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CAPITULO
III
La combustión como
proceso fisicoquímico
Al producirse y manejarse la reacción de combustión con el propósito de
aprovechar el poder calorífico del combustible con fines industriales, adecuando
su desarrollo a los requerimientos de un determinado proceso térmico, se
establece condiciones que convierten a la combustión en el proceso fisicoquímico
que conocemos como llama.
La llama es la combustión misma, el espacio donde se desarrolla la combustión y
la manifestación visible de la combustión; todo al mismo tiempo.
Por ello resultará de la mayor importancia dominar los 3 campos de la tecnología
que resultan fundamentales en el desarrollo de la combustión y la determinación
de las características de la llama: Mecánica de Fluídos, Cinética Química y
Transferencia de Calor.
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3.1 La llama como manifestación visible de la combustión
En términos teóricos, la llama es el medio gaseoso en el que se desarrollan las
reacciones de combustión, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto
térmico como químico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen
manifestaciones de las condiciones en que se efectúa la generación de calor.
En términos prácticos, podríamos definir a la llama como "el espacio donde se
realiza la combustión", o también, como "la manifestación visible de la
combustión", cuando se trata de combustibles sólidos y líquidos.
La mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su
creador, vigilante y mantenedor.
La creación y mantenimiento de una llama apropiada, es un requisito previo e
imprescindible para el aprovechamiento racional de la energía contenida en el
combustible y que es capaz de arder en forma de calor.
Decir que una llama es apropiada, significa que tiene un conjunto de cualidades y
características de naturaleza geométrica, física y química idóneas y compatibles
con la aplicación perseguida.
3.1.1 Condiciones Límites para que se produzca una llama
a) Límites de inflamabilidad
La relación de combustible/oxígeno (aire) resulta crítica. Si esta relación es muy
pequeña el combustible será muy pobre para quemarse, y si es demasiado
grande, será demasiado rica para arder. Los límites de la relación combustible
aire, en ambos sentidos, se llaman "límites superior e inferior de inflamabilidad del
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combustible". En el Cuadro 3.1 se presentan valores para algunos gases y
vapores conocidos.
Cuadro 3.1 Límites de inflamabilidad
b) Límites de temperatura
% Volumen en aire
Sustancia
Límite Inferior
Límite Superior
Las Temperaturas máxima y mínima, a las que pueden encontrarse los gases
de combustión, coincidentes con los instantes final y de encendido de la llama,
establecen
sobre los cuales, no podrá 74,0
mantenerse una
Monóxido igualmente
de carbono límites por12,5
combustión
estable, por romperse el equilibrio entre la difusión térmica y la veloci(CO)
dad de
producción
Hidrógeno (H de
) calor.
4,1
74,0
2
Metano (CH4)
5,3
14,0
c) LímitesEtileno
de presión
(C2H4)
3,0
29,0
Etano (C2H6)
3,2
12,5
Existen
igualmente
de presión
que establecen un intervalo
Propano
(C3Hlímites
)
2,4
9,5 de presiones,
8
dentroButano
del cual(Cpuede
existir una llama.
las llamas
1,9 Por debajo de 1 mbar absoluto
8,4
4H10)
tienden
a
extinguirse.
El
límite
superior
lo
establece
la
peligrosidad
de
la mezcla
Pentano (C5H12)
1,4
7,8
a altas
presiones,
pudiendo
estar
por
encima
de
100
bar.
Benceno (C6H6)
1,4
6,7
Gas Natural
4,8
13,5
d) Límites por el "efecto pared"
Los intercambios térmicos entre la llama y las paredes del recinto, establecen un
límite denominado "efecto pared". Incluye la propia boquilla de salida, lo cual
hace que en sus proximidades no se observe llama, y la presencia de "puntos
fríos" en el interior de la cámara de combustión.
3.1.2 Tipos de llamas y su clasificación
a) Por la modalidad de la mezcla del combustible
Llamas de difusión: Cuando la mezcla del combustible y comburente se
realiza en el instante de la combustión.
Llamas de premezcla: Cuando la mezcla de los fluidos se realiza parcial o
totalmente antes de alcanzar la cámara de combustión.
b) Por la velocidad del flujo de los reactantes
Laminar: Cuando los fenómenos de la mezcla y transporte ocurren en fluido
laminar, es decir, estable, uniforme y a bajas velocidades (no excede 1
m/seg).
Turbulenta: Cuando la velocidad de salida de los gases es importante, con
objeto de liberar un máximo de energía por unidad de tiempo, producto de
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condiciones más favorables para la mezcla combustible-oxígeno (velocidad
unas 50 veces mayor que en fluido laminar).
c) Por su posición respecto a la boca del quemador
Llamas explosivas libres: Cuando se desarrollan en la atmósfera a la salida de
un orificio, sin contacto con paredes laterales.
Estacionarias: Cuando el combustible se quema poco a poco a medida que
pasa a través de una determinada zona del sistema, dando lugar a llamas
alargadas y de combustión lenta.
d) Por el estado físico del combustible
Combustibles gaseosos: Resultan más simples por hallarse combustibles y
comburentes en una sola fase, pero difícilmente observables, y por tanto,
difíciles de regular y controlar.
Combustibles líquidos: El caso más frecuente en la práctica, fuertemente
atomizados o dispersos, presentan importante presencia de partículas que
queman en suspensión, emitiendo en el espectro visible cuando se
encuentran en estado incandescente, facilitando su observación, regulación y
control.
Combustibles sólidos: Pulverizados se asemejan a los líquidos; en lecho fijo
se complican por intervenir reacciones adicionales de pirólisis.
3.1.3 Temperaturas de la llama
Se denomina temperatura teórica de combustión, temperatura adiabática de
combustión o temperatura de combustión calorífica, a la que se obtendría en una
combustión estequiométrica, con mezcla perfectamente homogénea y en un
tiempo brevísimo que no dé tiempo a pérdidas caloríficas con el ambiente.
Para el cálculo teórico de la temperatura adiabática de llamas se utiliza la
siguiente fórmula :
Donde :
Ta
: Temperatura adiabática de llama
PCI : Poder Calorífico Inferior
Vg : Volumen de gases de combustión
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Cp
: Calor Específico de los gases de combustión
En el Cuadro 3.2 se presenta la comparación de algunas temperaturas de
llamas. Es importante observar que las llamas mas calientes, no son las que en
teoría corresponden a una mayor liberación de energía, sino a aquellas cuyos
productos finales de la combustión son más estables.
Cuadro 3.2 Temperatura de llamas de algunos combustibles
COMBUSTIBLE
COMBURENTE
TEMP.
ºC
INDICE
EXCESO AIRE n
TEORICA
ºC
REAL
ºC
Acetileno
Aire
15
1,00
2630
2320
Monóxido de
Aire
15
1,00
2470
2100
Carbono
Hidrógeno
O2
15
---2974
---Hidrógeno
Aire
15
1,00
2210
2045
Gas Natural
Aire
15
1,00
1961
1735
Gas Natural
Aire
15
1,00
1961
1880
Metano
Aire
15
1,00
1915
1880
Etano
Aire
15
1,00
a
a
Propano
Aire
15
1,00
1980
1925
Butano
Aire
15
1,00
Fuel oil pesado
Aire
15
1,00
2015
Las
en la llama, 15
disminuirán1,30
en función de1690
las condiciones
Fueltemperaturas
oil pesado realesAire
reales
depesado
trabajo, dependientes
de algunos
siguientes factores:
Fuel oil
Aire
300 de los 1,00
2120
Fuel oil pesado
Aire
300
1,30
1845
a) Calor sensible del aire y el combustible.
b) Exceso de aire.
c)
Características de la transferencia de calor en la cámara de combustión.
d) Difusión molecular de reactantes.
e) Difusión térmica de productos.
En la Figura 3.1 se puede observar la influencia de la temperatura del aire de
combustión y del exceso de aire sobre la temperatura promedio de la llama.
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Figura 3.1
Influencia de la
temperatura del
aire de combustión
y del exceso de
aire sobre la
temperatura de
llama.
Aunque en el espectro de la llama se distinguen tanto bandas visibles, como
infrarrojas y ultravioletas, moleculares y atómicas, e incluso, la mayor parte de
calor se transfiere en la banda de infrarrojos, no visible al ojo humano, en la
práctica resulta de indiscutible validez y gran utilidad el juzgar la temperatura de la
llama por observación visual de su coloración.
Como ejemplo, en el Cuadro 3.3 se presentan las temperaturas que
corresponden a los colores observados en la llama de un horno rotatorio para
cemento.
COLOR
ºF
ºC
Rojo suave
875
475
Rojo suave a rojo oscuro
875 -1200
475 - 650
Rojo
oscuro
a
rojo
cereza
1200
1375
650 - 750
Cuadro 3.3. Temperaturas que corresponden a los colores de la llama
Rojo cereza a rojo cereza
1375 - 1500
750 - 825
brillante
Rojo cereza brillante a naranja
1500 - 1650
825 - 900
Naranja a amarillo
1650 - 2000
900 - 1090
Amarillo a amarillo brillante
2000 - 2400
1090 - 1320
Amarillo brillante a blanco
2400 - 2800
1320 - 1540
Blanco a blanco deslumbrante
más de 2800
más de 1540
Cuadro 3.3
Color y Temperaturas de llamas
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3.2
FORMACIÓN DE LLAMA Y GASODINÁMICA DE LA COMBUSTIÓN
El desarrollo de un proceso de combustión y la conformación de llama en el
interior de un reactor o cámara de combustión, constituyen en lo fundamental
un problema de mecánica de fluídos que permite controlar a través de la
intensidad de mezcla la cinética de la reacción de combustión, en la forma que
permita establecer las condiciones más favorables y adecuadas de
transferencia de calor.
La comprobación práctica de que siempre se cumplen los postulados de la
teoría inorgánica de la combustión, nos conduce a una visión diferente, más
simple y objetiva, de la combustión industrial.
Se pueden establecer 4 etapas en el desarrollo del proceso de combustión:
Mezcla de combustible y comburente
Ignición y encendido de la mezcla
Reacción química
Difusión de los productos de la combustión.
La ignición y la reacción química son rapidísimas, prácticamente instantáneas,
mientras que la mezcla y difusión de gases resultan lentas, complicadas y
difíciles.
En el interior de las cámaras de combustión se maneja la combustión como una
suspensión de partículas de carbón en el aire que al reaccionar producirán gases
de combustión y calor.
La forma de la llama resulta influenciada por las características de tamaño,
naturaleza y composición de las partículas de coque procedentes de la
molienda de carbón mineral, craqueo en fase líquida o gaseosa de
combustibles líquidos, o craqueo de gases, pero determinada finalmente por
las características de los impulsos de los flujos dominantes, aire primario o el
propio combustible cuando se trata de gas natural.
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En consecuencia, la mecánica de fluidos resulta fundamental para determinar
la forma en que se efectúa la reacción de combustión y la definición de las
características de la llama.
Para conocer los factores que afectan la formación de llama en el campo de la
mecánica de fluidos, analicemos la gasodinámica de la combustión :
El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que actúa dinámicamente
sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y succionando aire o gas
de los alrededores. El chorro se proyecta en la dirección prevista, perdiendo
velocidad y succionando gas de los alrededores. En un chorro libre la presión
estática es constante, mientras que en un chorro confinado la presión se
incrementa con la distancia de la tobera ocasionando la formación de una zona
de recirculación.
Figura 3.2 Esquema de chorro en espacio libre
Un chorro en un espacio libre se compone de las 4 partes que se muestran en
la (Figura 3.2).
Corazón o núcleo del chorro
Zona de mezcla
Zona de transición
Chorro completamente desarrollado
La región del núcleo se caracteriza por velocidad constante y concentración
similar a la de la tobera. Fuera de esta zona se desarrolla una capa límite en la
cual momento y masa se transporta en forma perpendicular al flujo. La longitud
del nucleo es 4 o 5 veces el diámetro de la tobera. La región transitoria que
puede alcanzar unos 10 diámetros precede a la formación del chorro final.
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La forma del chorro se caracteriza por el ángulo mitad , el cual se forma entre el
eje del chorro y la línea formada por los puntos en los cuales la velocidad es la
mitad de la velocidad en el eje (Figura 3.3).
El chorro que fluye de la tobera en un horno tubular puede ser caracterizado
como un chorro libre recto circular, habiéndose comprobado como valor práctico
para el ángulo mitad 4.85 °, el cual no varía con la confinación del chorro; sin
embargo, el grado de turbulencia (S) puede incrementarlo en la siguiente forma:
ÁNGULO MITAD = (4.85) (7S)
A partir del punto medio entre la tobera y la proyección del chorro que toca la
pared del horno, el chorro puede considerarse y comportarse como un chorro
confinado, por lo cual se presenta la recirculación de gases quemados.
Al producirse la ignición del combustible y convertirse el chorro en llama,
delimitando el frente de llama, se incorporan al flujo los gases de combustión
producidos y la energía generada por la reacción, los cuales influencian en forma
distinta la cinética de la reacción y por tanto la longitud de llama. Mientras que el
calor generado incrementa la velocidad de reacción, la presencia de gases de
combustión ya quemados e inertes disminuyen la disponibilidad de oxígeno para
la reacción y por lo tanto la demoran.
Figura 3.3 Forma del chorro, caracterizado por el ángulo mitad
El chorro de los quemadores unicanal puede ser considerado como un chorro
recto circular, como el que se muestra en la (Figura 3.4) El incremento de
presión que ocasiona el chorro genera una recirculación de gases quemados
hacia la zona exterior, tomando la llama una forma cónica. Siendo el ángulo
mitad de 4.85°, aproximadamente a unos 3 diámetros del horno se debería
producir el impacto de la llama con las paredes del horno.
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Figura 3.4 Chorro recto circular
Si el quemador dispone de suficiente energía cinética para mantener formada la
llama y la cinética de la reacción es suficientemente rápida para completar la
combustión en este trayecto, al punto P impactaran gases quemados y la llama
formada resultará ideal. Si por el contrario, la combustión no se completa, sobre
el punto P impacta llama provocando problemas; para evitarlo, se resta potencial
al quemador, el chorro pierde velocidad y se igualan las velocidades con el aire
secundario restante y los gases quemados, la llama se desarma antes de
impactar y la combustión se completará dentro de la masa uniforme de los gases
circulando a través del tubo del horno sin ningún control, dando lugar a
pegaduras, anillamientos y la presencia de inquemados a la salida del horno,
debido a que la posibilidad de combustión completa desaparece.
Al incorporar un tubo central convirtiendo el ducto en un espacio anular se crea
una depresión en el centro que propicia que se produzca la recirculación
interior de gases quemados calientes que se utiliza en algunos casos para
estabilización de la llama. Este efecto se incrementa al incorporar una placa
central o proporcionar radialidad al flujo (Figura 3.5).
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Figura 3.5 Perfil del flujo por efecto de la radialidad proporcionada.
Cuando se imprime rotación a un fluido se consiguen los chorros giratorios que
modifican su perfil de velocidades por efecto de la rotación, como se muestra
en la (Figura 3.6) . En (a) no existe rotación; en (b) hay una rotación ligera que
hace aumentar la velocidad periférica y deprime la central ; en (c) se alcanza
el umbral crítico, anulándose la velocidad en el centro; en (d) el estado es
supercrítico, con inversión de velocidades en el centro.
Para cuantificar este efecto se utiliza el concepto de Fuerza de Rotación que es
un número adimensional definido por la relación del momento del impulso
tangencial con el producto del radio del inyector por el impulso axial.
Figura 3.6 Perfil de velocidad por rotación del fluido.
a
b
c
d
En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductor
en la medida que aumente la fuerza de rotación, como se puede observar en la
(Figura 3.7) en la cual se grafica la relación de masa total a masa inductora
para chorros con diferente fuerza de rotación.
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Figura 3.7
Relación de
masa total a
masa
inductora para
chorros con
diferente
fuerza de
rotación.
La división del flujo dominante, aire primario y/o gas natural, en componentes
axial y radial permite controlar la forma y tendencias de la llama en el interior de la
cámara de combustión, lo que resulta de una importancia determinante para 3
propósitos fundamentales:
Formar la llama que permita aprovechar al máximo el volumen útil de la
cámara de combustión
Disponer de la máxima potencia calorífica
Imprimir la intensidad de mezcla que resulte adecuada para asegurar
combustión completa.
Podemos mencionar varios ejemplos de aplicación que muestran la importancia
de la aplicación de estos conceptos en el desarrollo tecnológico industrial:
En Calderos acuotubulares: La adecuación de la forma de llama a las
geometrías rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido
conseguir una reducción formidable de sus dimensiones, consiguiendo unidades
cada vez más grandes en capacidad de generación de vapor pero mucho más
compactas, ahorrando espacio, materiales y energía, porque también resultan
considerablemente más eficientes.
En hornos cementeros: La formación de llama cónica hueca ha resultado tan
importante para lograr las condiciones adecuadas de potencia térmica,
transferencia de calor y estabilidad operativa que exige el proceso de
clinkerización que ya no se concibe un horno cementero que no opere con este
tipo de llama y resulte competitivo.
En hornos cerámicos : La formación de llamas planas para evitar su impacto
sobre las piezas en proceso ha permitido conseguir excelentes condiciones de
transferencia de calor y mejorar la calidad de acabados.
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3.3
Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación
La radiación es la transferencia de calor mediante energía radiante que parte
de la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita
de un soporte material. Cuando esta energía alcanza otro cuerpo, parte de ella
puede reflejarse, otra parte puede ser transmitida a través del cuerpo receptor,
cuando es diatérmico y finalmente el resto es absorbida. La radiación térmica
se asocia a una radiación electromagnética con un intervalo de longitudes de
onda entre 0,01 y 100 micras.
Para calcular el calor transmitido por radiación se aplica la fórmula:
en donde:
Qr : calor emitido por radiación por m2 y hora (Kcal/h.m2)
C = constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4
= emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo
radiante.
T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273)
T2 = Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273)
Para efectos del trabajo de los hornos en la zona crítica, la transferencia de
calor por radiación desde la llama resulta un factor de la
mayor importancia, debiendo destacarse que :
Resulta proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. La
temperatura de llama varía con el exceso de aire de combustión y la
temperatura del aire secundario, en la forma que se mostró en la Figura
3.1.
Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez depende de
la permanencia de las partículas en estado incandescente. La emisividad de
llamas de carbón, petróleo y gas natural se puede observar en la Figura
3.8. La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar
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compensarse, demorando la disponibilidad de las partículas para que se
produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de
calor por radiación.
Figura 3.8 Emisividad de llama
3.4
Difusión de gases de combustión y transferencia de calor por
convección
La transmisión de calor por convección se refiere generalmente a la transferencia
de calor desde la superficie límite de un sólido a un fluido, debido a las diferencias
de densidad entre las zonas calientes y frías del mismo (convección natural),
pudiendo favorecerse este movimiento por medios mecánicos (convección
forzada).
Para calcular el calor transmitido por convección se aplica la fórmula:
Donde:
Qc
: Calor transmitido al fluido desde la superficie de un sólido por m 2
(Kcal/h . m2).
hm : Coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido sin incluir la
energía radiada (Kcal/h.m2. ºC)
ts
: temperatura de la superficie del sólido (0C)
tm
: temperatura media del fluido (0C)
R
: resistencia térmica (°C . h . m2 ) / kcal
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La transferencia de calor por convección:
aumenta cuando aumenta ts
aumenta cuando disminuye tm
aumenta cuando aumenta el valor de hm
El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fácil de
determinar teóricamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y
correlaciones utilizando la teoría de modelos y números adimensionales.
Varía con:
Las propiedades físicas del fluido (conductividad térmica, densidad, calor
especifico, viscosidad).
Dimensiones del aparato
Velocidad del fluido
Existencia de cambio de fases
incremento de temperaturas
Figura 3.9 Horno de
cemento, un excelente
ejemplo de
aprovechamiento de
calor por radiación,
utilizando materiales
refractarios para
mejorar la
transferencia de calor.
En los hornos, calderos y procesos industriales se produce transferencia de
calor por convección en todo el circuito de circulación de los gases de
combustión desde la llama hasta la chimenea de salida. El diseño de los
procesos, instalaciones y equipos industriales determinan los niveles de
aprovechamiento del calor liberado en la combustión en función de las
condiciones que favorezcan la transferencia de calor por convección de los
gases calientes al proceso y el revestimiento interno del horno (Figura 3.9).
3.5 Estabilidad de llama y las 7 ―tes‖ de la combustión.
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La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centímetros por
segundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla
estequiométrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s).
La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama
y su situación está condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulación
de los gases y la velocidad de propagación de la llama; expresado en términos
prácticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entre
la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que se
quema (Figura 3.10).
El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los múltiples
factores que intervienen en la cinética de la reacción de combustión,
determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo,
produciéndose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo,
llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga.
En la literatura técnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de
control operativo sobre la llama las 3 te´s de la combustión, pero investigando en
este campo hemos encontrado que son siete las te´s que influencian este
proceso.
Figura 3.10 Frente de llama, criterio básico para determinar el equilibrio de las
velocidades.
Las dos primeras emanan de la teoría inorgánica y se refieren al Tamaño de
partícula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del
quemador.
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Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagación de la
llama resultan de fundamental importancia las tres Te's clásicas de la
combustión, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura.
La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero
en el desarrollo de la combustión intervienen otros parámetros que determinan
condiciones que podrían afectar la estabilidad inicial conseguida y
coincidentemente, también comienzan con la misma letra: Transferencia de calor
y Transporte de gases. Pero aún tenemos más Te´s que influencian la llama y el
proceso de combustión: el Tiro que crea las condiciones de circulación de gases
y la Tensión (presión) en el interior de la cámara de combustión.
Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio
la reacción de combustión, y por ende, las características de la llama.
El Tiempo determina la velocidad con la que se efectúa la reacción y resulta
fuertemente determinado por el Tamaño de la partícula de carbón; si se eleva la
Temperatura de la llama, aumentará la velocidad de reacción y con ella la
generación de calor; asimismo aumentará el volumen de productos de
combustión, incrementándose la Turbulencia en el entorno de la llama, tomando
en cuenta que las condiciones de mezcla también serán influenciadas por la
trayectoria de la partícula de carbón, creada por su propio impulso y/o establecida
por los flujos dominantes. La Transferencia de calor desde la llama a su entorno
variará la temperatura y por tanto la cinética de la reacción. El Transporte de los
gases de combustión impulsados por el Tiro tendrán que asegurar la presión más
conveniente en la cámara de combustión.
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Figura 3.11 Las siete Te’s de la combustión
El aumento de la Turbulencia favorecerá la cinética de la reacción, disminuyendo
el Tiempo de reacción; la mayor generación de calor producirá un incremento de
Temperatura.
Esta constante influenciada por estos tres factores, determinará las condiciones
del equilibrio de llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustión.
La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza la
combustión y constituir en la mayoría de casos una manifestación visible de la
combustión, facilitando su adecuado manejo y control, determina la necesidad de
analizar las características de formación de llama de sólidos, líquidos y gases en
forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Te´s de la Combustión
(Figura 3.11).
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CAPITULO
IV
EL AIRE DE COMBUSTIÓN
En el desarrollo de la tecnología de la combustión del siglo XX
se cometieron muchos errores, pero sin duda alguna el principal
fue desconocer la importancia del aire.
Al establecer la Teoría Inorgánica de la Combustión que la
formación de llama y el control sobre el desarrollo de la
combustión constituyen principalmente un problema de
mecánica de fluidos, siendo el aire el flujo dominante para
determinar las condiciones de mezcla y turbulencia que definen
la calidad de la combustión, demuestra que el aire siempre
resulta más importante que los combustibles en la combustión.
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4.1 Caracterización del Aire Atmosférico
La naturaleza no se ha limitado a almacenarnos energía química durante millones de
años en los combustibles fósiles. También nos proporciona en la atmósfera, el oxígeno
necesario para liberarla mediante la combustión.
4.1.1
Formación de la Atmósfera Terrestre
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra y comenzó a
formarse hace unos 4600 millones de años con el nacimiento del planeta.
La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra estaría formada
por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto a muy
pequeñas cantidades de hidrógeno y monóxido de carbono, pero con ausencia
de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad
fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono hace unos 2.500
millones de años ; hace unos 1000 millones de años. la atmósfera llegó a tener
una composición similar a la actual.
También ahora los seres vivos siguen desempeñando un papel fundamental en
el funcionamiento de la atmósfera. Las plantas y otros organismos
fotosintéticos toman CO2 del aire y devuelven O2, mientras que la respiración
de los animales y la quema de bosques o combustibles realiza el efecto
contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la atmósfera.
Analicemos la forma en que se han producido tales transformaciones:
Su origen se produce por:
Pérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He).
Aumento de la masa de la Tierra: Gravedad.
Enfriamiento de la Tierra.
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Desgasificación de la corteza terrestre
Formación de una capa de gases: atmósfera primitiva con una composición
parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían el N2, CO2, HCl
y SO2.
Algunos gases y el H2O de procedencia externa (Cometas).
En la etapa prebiótica, antes de la vida, la atmósfera sufrió algunos cambios:
Condensación del vapor de agua: formación de los océanos y disolución de
gases en ellos (CO2, HCl y SO2).
Principal gas de la atmósfera: Nitrógeno (N2).
No había oxígeno (O2).
Etapa microbiológica, con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas que usan
H y H2S y fotosintéticas (bacterias del azufre y cianobacterias):
Comienza la producción de Oxígeno del océano.
El O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano.
Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas:
Fe+3 + O2 → Fe2O3
Una vez oxidadas las sustancias, empieza la producción de O2 para la atmósfera.
El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre.
Pruebas de ello son las formaciones de capas rojas de origen continental.
Etapa biológica, con la aparición de organismos eucariotas con fotosíntesis más
eficiente:
Aumento del O2 en la atmósfera hasta la concentración actual (21%).
Formación del escudo de Ozono (O3) para protección de la radiación ultravioleta
del Sol, permitiendo la colonización de las tierras emergidas.
4.1.2 Estructura de la Atmósfera
Atendiendo a diferentes características, la atmósfera se divide en:
La troposfera, que abarca hasta un límite superior llamado tropopausa que se
encuentra a los 9 Km en los polos y los 18 km en el ecuador. En ella se
producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de
aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercanía a la
hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos:
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lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc. Es la capa de más interés para la
ecología. En la troposfera la temperatura va disminuyendo conforme se va
subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior.
La estratosfera comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite
superior llamado estratopausa que se sitúa a los 50 kilómetros de altitud. En
esta capa la temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a
ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en
dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar
frecuentemente los 200 km/hora, lo que facilita el que cualquier sustancia que
llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que
sucede con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera,
entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono que tan importante
papel cumple en la absorción de las dañinas radiaciones de onda corta.
La ionosfera y la magnetosfera se encuentran a partir de la estratopausa. En
ellas el aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares
en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de
radio, pero su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos.
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Figura 4.1
Estructura de la Atmósfera terrestre.
4.1.3 Composición del Aire Atmosférico.
El análisis de la composición del aire es sumamente compleja y variable en función del
lugar y del tiempo.
En primer lugar, el aire en la naturaleza nunca se encuentra seco. La variación de su
humedad, depende de la presión y la temperatura. Durante el aporte de aire a los
procesos de combustión, la humedad del aire trabaja robando calor al sistema.
Su composición en cuanto a gases no condensables es también incierta. Si suponemos
una composición media según el Cuadro 4.1.
Cuadro 4.1
Composición del aire atmosférico
% en Volumen
Nitrógeno
Oxígeno
CO2
Argón
Neón
Helio
Kriptón
Xenón
Hidrógeno
N2O
78,084
20,946
0,033
0,934
ppm en Volumen
0,004
0,002
0,001
0,001
18,18 0,04
5,24 0,004
1,14 0,01
0,087 0,001
0,05
0,001
0,5
0,1
Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el
ozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre, etc. También hay partículas de
polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños
organismos o restos de ellos, ClNa del mar, etc. Muchas veces estas partículas
pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas (smog o
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neblumo) muy contaminantes.
Materiales sólidos en la atmósfera (Partículas/cm3)
Alta mar
1000
Alta montaña (más de 2000 m)
1000
Colinas (hasta 1000 m)
6000
Campos cultivados
10 000
Ciudad pequeña
35 000
Gran ciudad
150 000
Los volcanes y la actividad humana son responsables de la emisión a la
atmósfera de diferentes gases y partículas contaminantes que tienen una gran
influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas,
como veremos.
Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la
superficie, comprimidos por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la
altura la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5.5
kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total
y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia
atmosférica.
La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus distintos
componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez más enrarecido
(menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la
composición se hace más variable.
4.14 Agua en el aire
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La humedad atmosférica es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire y varía
según las condiciones climatológicas, está presente en la troposfera (desde el nivel del
mar hasta una altura media de 11 km) y varía de 0 a 25 % en volumen.
Aire húmedo = aire seco + vapor de agua.
El comportamiento de la mezcla de aire seco y vapor de agua sigue la ley de Dalton de
las presiones parciales, de acuerdo a sus respectivas propiedades: La presión total de
una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes.
Pt = p1 + p2 + p3 + ... y la presión parcial es la presión que ejercería cada componente
en las mismas condiciones del sistema.
La presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y la presión del vapor de
agua.
La presión del vapor de agua depende del número de moléculas presentes en un
determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de
volumen y varía con la temperatura. Se mide en mm de Hg o en milibares ( 1mb = 0.76
mm de Hg). El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las
regiones tropicales cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 mb.
Los aparatos que se usan para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos
(porque dan mediciones muy precisas).
Presión de vapor a saturación. Es la presión de vapor ejercida por el vapor de agua
contenido en un volumen de aire saturado a la temperatura del aire contenido en ese
volumen.
Humedad absoluta es el número de gramos de vapor de agua contenido en un metro
cúbico de aire a una temperatura y presión determinadas. Se expresa en g (de vapor de
agua)/m3 (de aire) a una presión y temperatura especificadas.
La humedad específica se expresa en g (de vapor de agua)/kg. (de aire húmedo).
Mezcla de humedad es la relación entre la cantidad (masa) de vapor de agua y la
cantidad (masa) de aire seco, y se expresa en g (de vapor de agua)/kg. (de aire seco).
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Humedad relativa (HR): Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad
relativa y se define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua, es
decir, es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de
aire en unas condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si
estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una
muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre.
HR = e/E(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturación(100).
Para medir la humedad relativa del aire se utilizan higrómetro y psicrómetros de
diferentes tipos (Figura 4.4).
Figura 4.2
Medición de Humedar Relativa en el Aire
Para la comodidad personal la humedad relativa es un factor importante porque cuando
es baja causa una un exceso de pérdidas de calor del cuerpo por evaporación de agua,
provocando resequedad de la piel y de las membranas mucosas. Cuando la humedad es
alta, el sudor no se evapora con facilidad y el cuerpo no puede enfriarse adecuadamente.
Figura 4.3
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Cuando se enfría aire húmedo en ausencia de superficies sólidas sobre las cuales pueda
producirse la condensación, la presión parcial del agua puede ser superior a la presión
de vapor del agua a esa temperatura, por lo que se dice que el aire está sobresaturado de
vapor de agua.
Cuando el sistema está en condiciones metaestables (casi en equilibrio) y se perturba,
se puede provocar una condensación repentina que se manifiesta formando neblina o
pequeñas gotas líquidas.
Punto de rocío. Es la temperatura a la cual el aire queda saturado por enfriamiento sin
adición de vapor de agua y a presión constante (proceso isobárico). Cualquier
disminución posterior de temperatura (enfriamiento) produce condensación, así se
forma la niebla y el rocío. También puede decirse que es la temperatura a la que el
vapor de agua de la atmósfera empieza a condensarse y la temperatura del termómetro
seco y húmedo del psicrómetro son iguales.
Para cualquier temperatura de punto de rocío el contenido de vapor de agua es
constante, independientemente de las temperaturas seca y húmeda. Este concepto es
muy útil para expresar la humedad atmosférica, ya que se usa para pronosticar la
probabilidad de formación de niebla y nubes, etc.
4.1.5 La verdadera función del Ozono en la atmósfera
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La Fusión Nuclear del Hidrógeno en el núcleo del sol constituye el origen de
todas las formas de energía conocidas en nuestro universo. Cada segundo que
transcurre, 567 millones de toneladas de Hidrógeno se convierten en 563
millones toneladas de Helio, liberando al universo una formidable cantidad de
energía radiante; la dos mil millonésima parte incide en nuestro planeta,
alimentando el ciclo vital a través de la fotosíntesis.
Figura 4.4
Fusión Nuclear del Hidrógeno
Siendo conscientes de la validez
del Primer Principio de Termodinámica, durante mucho tiempo hemos buscado
el destino de las 4 toneladas de Hidrógeno restantes; estudiando los trabajos
realizados por físicos sobre la energía radiante, finalmente los hemos
encontrado, basados en lo manifestado por Planck y Einstein respecto a la idea
de la luz como partícula y la capacidad de la materia y la radiación
electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.
La explicación la encontramos al conocer la forma en que se desarrolla la fusión del
hidrógeno:
El núcleo del tritio contiene un protón y dos neutrones, y el del deuterio un
protón y un neutrón, dando un total de 5 partículas. En la fusión de esos
isótopos, cuatro de las partículas -2 neutrones y 2 protones- se unen con gran
fuerza para formar un átomo de Helio, siendo capaces de expulsar
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violentamente al neutrón restante, siendo este nucleolo la cantidad de materia
que nos completa el balance.
Se ha asumido que los rayos ultravioleta contenidos en los fotones son los que
producen fenómenos dañinos sobre la vegetación y los seres vivos, pero las
explicaciones científicas sobre este tema no nos parecen suficientemente
fundamentadas; en cambio, la incidencia de corpúsculos de masa de hidrógeno
incidiendo sobre otras formas de materia con contenido de oxígeno provocarían
procesos de reacción capaces de alterar su estructura, produciendo daño
irreversible. Esta sería, por ejemplo, la causa del cáncer a la piel y no los rayos
ultravioleta que normalmente producen un estético bronceado y por exceso
solamente una curable insolación.
La capa de Ozono en la estratósfera no filtra los rayos ultravioleta; solamente
actúa como un catalizador físico de la reacción de oxidación, invirtiendo su
contenido energético en aportar la energía necesaria para romper la molécula
de ozono, lo cual constituye una reacción química de reducción endotérmica;
ello explica la disminución del contenido de energía en forma de rayos
ultravioleta.
El átomo de oxígeno que queda libre no forma una nueva molécula de oxígeno,
como explican los científicos; simplemente favorecen la oxidación del
Hidrógeno que viaja con la energía radiante procedente de los nucleolos,
formando moléculas de agua y oxigeno molecular.
Figura 4.5
CAPA PROTECTORA DE OZONO
Formidable paraguas químico
para
protección de
la vida en el planeta
En términos técnicos más claros y
simples, el oxígeno normal (02) no resulta
capaz de llegar a combinar toda la masa
de Hidrógeno que viaja con la energía
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radiante que atraviesa la atmósfera; el Ozono (O3), con mayor capacidad
oxidante, atrapa el hidrógeno combinándolo para formar agua inerte.
Los aerosoles, formados por Clorofluorocarbonatos (CFC) con gran actividad
química, al llegar a la estratósfera se combinan con el ozono, eliminando este
formidable paraguas químico, exponiéndonos a esta lluvia química de acción y
consecuencias mortales.
Esta nueva concepción de la función ecológica de la capa de Ozono, basada
simplemente en su mayor capacidad oxidante, resultará más fácil de explicar,
estudiar y proteger.
Figura 4.6
CLOROFLUOROCARBONATOS
Enemigos mortales de la Capa de Ozono
4.2
LA FUNCIÓN QUÍMICA DEL AIRE EN LA COMBUSTIÓN
Los combustibles son almacenes de energía química formados por la naturaleza durante
millones de años, que se transforma en energía térmica, al reaccionar sus componentes
básicos, Hidrógeno y Carbono, con el oxígeno.
La fuente de oxígeno para la combustión más abundante, barata y fácil de manejar es,
indudablemente, el aire.
Esta condición de fuente inagotable de oxígeno y la permanente disponibilidad del aire
en cualquier condición de tiempo y espacio, conduce con frecuencia al error de
minimizar su importancia en el proceso de combustión.
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4.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL AIRE COMO COMBURENTE
En forma similar a la que debe permitir el perfecto conocimiento del combustible
empleado, el aire de combustión también debe ser caracterizado, tanto en los aspectos
que definen su empleo como comburente, como para asegurar que sea aportado al
quemador en las condiciones previstas en su diseño.
Se llama comburente al aire o al oxígeno que participa en la oxidación de la materia
combustible liberando luz y calor en el proceso llamado combustión.
Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el aire de combustión sean
aportados al quemador en las condiciones previstas en su diseño.
Para efectos prácticos resultará suficientemente correcto considerar la siguiente
composición, a nivel del mar, en condiciones normales de presión (760 mm de Hg) y
temperatura (0ºC):
Nitrógeno :
Oxígeno :
79% en volumen (77% en peso)
21% en volumen (23% en peso)
En la mayor parte de los casos para las determinaciones técnicas de tipo teórico
(volumen de los gases de combustión, temperatura máxima, temperatura de rocío, calor
sensible de los humos), se comete poco error considerando aire seco en donde la
proporción entre el nitrógeno y el oxígeno es de 79 a 21% en volumen, asimilando por
tanto el Argón a Nitrógeno y estableciendo el aire como la mezcla molecular siguiente:
Equivalente a
y más habitualmente para
Esta aproximación da algún error de cierta importancia cuando se pretende tener en
cuenta muy estrictamente el contenido de nitrógeno de la materia mineral.
Finalmente, para conseguir la combustión completa más próxima a la teórica y según el
estado físico del combustible (granos, polvo, líquidos, gases y dispersiones) es preciso
emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica por razones físicas de contacto
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que después detallaremos.
necesario‖.
De aquí el llamado ―exceso de aire sobre el teórico
Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al
propósito de la combustión:
1º Disminución de la temperatura máxima posible, al aumentar la cantidad de gases en
la combustión.
2º Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados, en el
nitrógeno del aire empleado.
4.2.2 VARIACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE CON LA ALTURA
Como ya se ha mencionado, el desarrollo de la tecnología de la combustión se ha
preocupado más del combustible caro que del aire gratis, ignorando la importancia del
aire como flujo termodinámico, aportante de oxígeno y energía cinética, pero además
suponiendo que sus características resultan invaluables.
Siendo una mezcla de gases, el aire estará sometido a las leyes de la física como flujo
termodinámico, quedando definido en cuanto a sus características por la Presión (P),
Volumen (V) y Temperatura (T) como sistema en equilibrio, y ocasionalmente por la
Energía Interna, Entalpía y Entropía.
Para fines prácticos el aire puede considerarse como un gas ideal, facilitando los
cálculos des estados de equilibrio mediante la Ecuación de Estado.
Se denomina ecuación de estado a la relación que existe entre las variables p, V, y T. La
ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal pV=nRT, donde n representa el
número de moles, y R la constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K
mol).
A diferentes alturas respecto al nivel del mar, resultará necesario considerar las
variaciones de presión y temperatura que experimenta el aire y como influencian sus
características como comburente.
Tomando en cuenta la definición de presión de los gases, que se explica por el mayor o
menor número de impactos moleculares sobre el recipiente que los contiene, podemos
utilizar este concepto de actividad molecular para justificar el mayor volumen que
ocupa la misma masa de aire a mayores niveles de altura, al liberarse parcialmente de la
presión que soporta de la masa atmosférica.
Siendo la masa de oxígeno la que participa directamente en las reacciones de
combustión, al disminuir la presión del aire con la altura, se puede decir que disminuye
proporcionalmente su calidad como comburente.
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En la Figura 4.7 se muestra la curva de variación de presión atmosférica con la altura.
Figura 4.7
Variación de la presión atmosférica con la altura
Un metro cúbico de aire normal (1 atm y 0°C) aporta como comburente 297 gramos de
oxígeno; a la misma temperatura , en la medida que se incrermente la altura, y
consecuentemente la presión, disminuirán sus contenidos de masa de oxígeno en la
siguiente forma:
A
0 msnm
 A 1000 msnm
 A 2000 msnm
 A 3000 msnm
 A 4000 msnm
 A 5000 msnm
: 1m3 --->297 gr de 02
: 1m3 --->241 gr de O2
: 1m3 --->227 gr de O2
: 1m3 --->192 gr de O2
: 1m3 --->170 gr de O2
: 1m3 --->141 gr de O2
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En la Figura 4.8 se muestra la corrección del volumen del aire con la altura a diferentes
temperaturas.
Figura 4.8
Corrección del volumen del aire con la altura
Para establecer una comparación, analicemos el efecto de la temperatura sobre la
calidad del aire como comburente, apreciando como varía el contenido de masa de
oxígeno con el calentamiento:
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A
0 ºC
 A 100 ºC
 A 200 ºC
 A 300 ºC
 A 500 ºC
 A 1000 ºC
: 1m3 --->297 gr de 02
: 1m3 --->216 gr de O2
: 1m3 --->172 gr de O2
: 1m3 --->133 gr de O2
: 1m3 --->105 gr de O2
: 1m3 ---> 67 gr de O2
4.2.3 PODER CALORÍFICO DEL AIRE
Aunque este concepto resulte algo extraño, precisamente por el tradicional
desconocimiento de la importancia del aire en la combustión, resulta totalmente
justificado y particularmente útil para evaluar y compensar su calidad como
comburente.
En la misma forma y con el mismo derecho que los combustibles, en los cuales se
calcula el poder calorífico en función de su contenido de Carbono e Hidrógeno,
suponiendo que dispondrán del oxígeno necesario para completar su combustión, en el
caso del aire hemos adoptado arbitrariamente el concepto de suponer que todo el
oxígeno disponible en el aire dispondrá de suficiente carbono para conseguir una
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combustión completa. En esta forma, podemos obtener el poder calorífico del aire en
Kcal/Kg .
A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 890 Kcal/m3N; al realizarse
la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir
gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico, lo que puede apreciarse en la
Figura 4.9.
X
Figura 4.3
Variación del poder calorífico del aire con la altura
En la misma forma, al incrementarse la temperatura del aire disminuirá su calidad como
comburente, pero se incrementará su entalpía. La comparación entre la variación de
ambos parámetros la efectuaremos al analizar la función termodinámica del aire en la
combustión.
4.3
LA FUNCIÓN MECÁNICA DEL AIRE EN LA COMBUSTIÓN
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Al analizar la combustión como proceso fisicoquímico se estableció que los 3
principales factores que determinan la calidad de la combustión son la cinética química
de la reacción, la mecánica de fluidos que determina las condiciones de mezcla y
turbulencia, y la termodinámica que establece las condiciones de transferencia de calor
a la operación o proceso para el cual se efectúa la combustión y liberación de calor. El
aire resulta protagonista en los 3 casos, pero probablemente la función más importante
que cumple en la combustión sea el aporte del impulso que proporciona la energía
cinética requerida para establecer las condiciones de mezcla y turbulencia que permitan
asegurar combustión completa y la formación de llama que convenga a cada reactor y
proceso.
Para cumplir este propósito, el aire debe recibir el impulso que asegure las condiciones
de suministro previstas en el diseño del quemador, pudiendo requerir para ello de un
ventilador, soplador o compresor, según sea el caso y el trabajo que deba realizar.
Las principales funciones mecánicas que realiza el aire en los sistemas, circuitos y
procesos de combustión, son los siguientes:
4.3.1 Aire primario
Aporta la energía cinética requerida para formación de llama, es decir, determinar la
forma en que se desarrolla la combustión, para lo cual puede requerir una gran potencia,
cuando se utiliza combustibles muy difíciles de quemar, o relativamente poca, cuando
se utiliza gas natural o GLP, que quemándose con mucha facilidad, a veces requieren
demorar la mezcla para tratar de alargar el tiempo de reacción y mejorar la emisividad
de llama.
Para definir con claridad y sencillez el trabajo del aire primario, hemos determinado la
conveniencia de utilizar 2 parámetros que pueden ser aplicados en el diseño de
quemadores o para la evaluación de quemadores que se encuentren instalados y
operando, para evaluar y optimizar su funcionamiento: Potencia específica, expresada
con Newton/ Gcal, y Swirl (fuerza rotacional), que representa el % del impulso total que
tiene efecto rotacional. La validez y utilidad de estos parámetros la hemos podido
comprobar en cientos de proyectos de optimización de la combustión en plantas
industriales.
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Figura 4.9
Ingreso de aire primario al
quemador Pitojet de KHD -
Cálculo de la Potencia Específica : N/Gcal
Los Newtons se calculan multiplicando el flujo másico (kg/seg) por la velocidad en
la boquilla del quemador (m/seg). El resultado es el Impulso Total en Kg-m/seg2
(Newtons).
Las Gcal representan el cálculo del poder calorífico del combustible quemado en 1
hora. La relación entre ambos nos dará la Potencia Específica en N/Gcal.
La potencia específica para cada quemador dependerá del tipo de quemador, el
combustible utilizado, el porcentaje del aire primario total, etc. En los casos que el
aire también tiene que proporcionar el aire forzado para empujar los gases de
combustión, la potencia será mayor. La experiencia nos ha enseñado que cada
quemador individual debe ser caracterizado y definido en cuanto a la potencia más
conveniente.
Cálculo del Swirl
Para el cálculo del swirl se aplica la siguiente fórmula:
Swirl : Ir . Tg R . (d e – d i) / It . D
Donde: It
: Impulso total
Ir
: Impulso rotacional
Tg
: Tangente de la roseta
D:
: Diámetro externo total
di y de : Diámetros interior y exterior de la roseta de giro.
Los valores de Swirl para quemadores normales varían entre 10 y 40%, pudiendo
utilizarse valores mayores para conseguir llamas muy cortas, no necesariamente más
anchas, si se dispone del diseño que permita formar llamas cónicas huecas.
4.3.2 Aire de atomización
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En algunos quemadores de combustibles líquidos se utiliza el aire como fluido
pulverizador para atomización del combustible, presentándose en la práctica dos tipos
de diseños que utilizan el aire para atomizar:
Quemadores de atomización con fluido auxiliar, que puede ser aire comprimido
o vapor, para el caso de calderos. La presión normal del aire de atomización es
de 4-6 bares.
Quemadores de atomización por aire a baja presión, en el cual todo el aire lo
proporciona un ventilador que impulsa el aire total de combustión, que a su vez
atomiza el combustible que sale en forma lateral o radial de la boquilla. El
quemador Hauck es el caso típico y tuvo buenos resultados para combustibles
sucios y trabajos muy estacionarios del quemador. (Figura 4.10)
Figura 4.10
Quemador Hauck
4.3.3 Tiro forzado
En la mayoría de Calderos Pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeños, el
ventilador del quemador debe proporcionar, además del aire de combustión y la energía
para formación de llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta
la base de la chimenea, a partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural
creado por la chimenea, para eliminar los gases de combustión a la atmósfera.
En este tipo de sistemas, la capacidad de los calderos y hornos queda totalmente
definido por la capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presión estática
en la descarga que proporcione el impulso (potencia) necesarios para formación de ll
ama y circulación de los gases de combustión..
4.3.4 Aire de transporte y control
El transporte neumático resulta una importante posibilidad para un inmenso espectro de
operaciones que se efectúan en sistemas de combustión, principalmente de sólidos.
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En instalaciones de carbón pulverizado con sistemas de combustión directo o indirecto,
se debe transportar el carbón del molino o silo al quemador. Para ello se utiliza un
sistema de transporte por aire soplado que mantiene las partículas de carbón en
suspensión, debiendo mantener velocidades suficientes para evitar depósitos de carbón
pero las mínimas necesarias para evitar la abrasión en las tuberías ( 20 - 30 m/seg)
También para eliminación de cenizas el transporte neumático representa una solución
práctica y ecológica (Figura 4.6)..
Figura 4.11
Transporte neumático de carbón
Aunque la instrumentación neumática ya se utiliza poco,
en algún momento representó la mejor opción; el
empleo de aire soplado y comprimido para cualquier
tipo de accionamiento de control operativo o seguridad
siempre representa una posibilidad.
4.3.5 Ventiladores, Sopladores y Compresores
Todo en el universo es materia y energía. Vivimos inmersos en una gran masa de aire, a
nuestra disposición para aprovecharla en 3
funciones específicas: Químicas,
aprovechando su contenido de oxígeno, que representa el 21 % de su volumen (23% en
masa) como comburente; mecánicas, utilizándolo como flujo dominante en la
gasodinámica de la combustión; termodinámicas, como medio para transferencia de
calor.
Para cualquiera de estas funciones se tiene que captar un determinado flujo de aire de la
atmósfera y proporcionarle la forma y cantidad de energía que resulte adecuado para
transportarse, ser introducido en un sistema establecido y efectuar un trabajo
determinado. Los equipos que se utilizan para esta tarea son ventiladores, sopladores
y/o compresores
Estos equipos utilizan un motor, para convertir la energía eléctrica en la energía
mecánica de giro del rotor, que se transmite al eje donde se encuentra conectada una
turbina con álabes que impactan y desplazan el aire contenido en el interior de la
carcasa, provocando una corriente de succión en la admisión y convirtiendo la energía
mecánica en energía cinética que se manifiesta en el impulso del flujo en la descarga.
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La presión estática en la descarga define la nominación del equipo utilizado:
Un ventilador generalmente se utiliza para mayores caudales y menores presiones
(hasta 120 mBar)
Entre 120 y 200 mBar se encuentran los llamados turbo ventiladores que
constituyen una interfase entre ventiladores y sopladores, muy convenientes para
sistemas de combustión más exigentes.
A partir de 200 mBar y hasta 1 Bar, se denominan sopladores, siendo equipos con
mayores presiones y menores caudales.
Equipos con más de 1 Bar en la descarga ya puede ser considerado un compresor
y requiere criterios distintos de diseño.
Figura 4.12
Ventiladores, sopladores y compresores
Existen 2 tipos de ventiladores utilizados en la industria: centrífugos y axiales, siendo
los primeros los más utilizados en sistemas de combustión y los axiales en sistemas de
ventilación.
En cuanto a los diseños de la forma de los álabes, lo cual determina las formas de las
curvas de operación de los ventiladores, pueden ser rectos, curvados hacia adelante o
atrás. En sistemas de combustión generalmente se utilizan los de álabes rectos por
ofrecer flujos más estables, prefiriéndose los de aletas curvadas cuando se maneja flujos
sucios, o se requiere condiciones especiales de presión.
La capacidad de un ventilador queda determinada por el caudal de aire que desplaza, la
presión que le imprime al flujo y la potencia que absorbe el motor para efectuar este
trabajo. Estas características quedan perfectamente definidas en la curva de diseño del
ventilador o soplador (Figura 4.13) .
En términos generales, para seleccionar un ventilador se debe establecer el caudal
requerido y calcular la presión mínima necesaria en la descarga para asumir las pérdidas
en el circuito de descarga y ejecutar el trabajo que debe realizar en un sistema
determinado. Conociendo estos parámetros, se deberá elegir el modelo adecuado en el
catálogo del fabricante o proveedor, en el cual ya está definida la potencia de motor
requerida.
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En sistemas de combustión resulta una buena práctica definir las características del
suministro de aire requeridas en cuanto a impulso y caudal, así como el margen de
regulación de ambos, establecer las pérdidas de presión en el circuito de transporte al
quemador y el sistema de regulación de flujo en la succión, mediante una persiana y/o
la descarga, generalmente utilizando un dámper .
Figura 4.13
Curvas típicas de diseño de ventiladores
Normalmente, la presión requerida en el quemador representa 2/3 de la presión total,
correspondiendo 1/6 a la válvula de regulación y 1/6 al circuito de transporte..
Las leyes de los ventiladores permiten asumir el comportamiento del sistema cuando se
modifican los parámetros de diseño y características del fluido.
Siendo:
N=
Q=
D=
d=
H=
Velocidad
Caudal
Diámetro
Densidad del fluido
Presión estática
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P=
Potencia del motor
La Ley 1-2-3
Para el mismo ventilador, manipulando el mismo gas (D y d constantes) , N
variables:
Q es proporcional a la velocidad, N1
H es proporcional a la velocidad al cuadrado, H2
P es proporcional a la Potencia al cubo, P3
La Ley de Densidad
Para el mismo ventilador, operando a la misma velocidad, manipulando gases
diferentes (D y N constantes, d variable):
Q es el mismo
H ) (en unidades de presión) es proporcional a la densidad
H/d (carga en pies de fluido) es la misma
P es proporcional a la Densidad
La Ley de Similaridad
Ventiladores similares operando a la misma velocidad, manipulando el mismo gas
( d y DN son constantes):
Q s proporcional a D2
H ( en unidades de presión) es la misma
P es proporcional a D2
Como un ejemplo de la aplicación de estas leyes, podemos comprobar que no resulta
conveniente aplicar convertidores de frecuencia para operar ventiladores en sistemas de
combustión, porque el caudal varía proporcionalmente con las RPM, pero la presión
estática varía al cuadrado. Al disminuir la velocidad para regular el caudal de aire en
llama baja, el impulso disminuirá al cuadrado, con lo cual la llama se desarma, aunque
permita ahorrar energía, al disminuir la potencia absorbida por el motor al cubo.
4.4 FUNCIÓN TERMODINÁMICA
COMBUSTIÓN
DEL
AIRE
EN
LA
La disponibilidad libre y permanente del aire atmosférico, generalmente limpio y
estable, lo convierte en el fluido termodinámico favorito para sistemas de intercambio
térmico en general.
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En sistemas de combustión, las funciones termodinámicas del aire se extienden desde la
precombustión hasta la salida de gases quemados al ambiente.
4.4.1 Conceptos Termodinámicos
Para entender la importancia que reviste en todos los aspectos vinculados con la
combustión, resulta necesario definir con propiedad algunos conceptos:
¿Qué es el calor?
Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que
impregnaba la materia y que los cuerpos lo absorbían o desprendían según los
casos.
La llama que se observa en esta vista es una manifestación del calor, pero no
es el calor.
El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos
del a través de sus diferentes manifestaciones
Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de
que cuanto más roma estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor
estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se
desmenuzara la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revé
(Benjamín Thomson - Conde Rumford).
¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la
broca se transformaba en calor!
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El calor es por lo tanto una forma de energía. Es la "energía calorífica". Un
inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo.
El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de
átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los
átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si
mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece
(a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se
transforma en energía (E=mc2)
El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o
energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las
partículas que la forman.
La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que
podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar.
Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos
(energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.
El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor
temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una
diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura,
el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos
conceptos, calor y temperatura, están relacionados.
Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es
favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio
térmico.
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El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de
calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro.
Es una energía degradada, ya que es imposible recuperar toda la energía
mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica
haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando
parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una
parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío.
Los rendimientos de las máquinas se calculan por la relación de temperaturas
entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100%
R =(T1-T2)/ T1
¿Cómo se genera el calor?
La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de
una forma a otra.
Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca
transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras
transformaciones de energía.....
La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera
fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros
tipos de energía.
Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el
infrarrojo.
Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo
absorben (endotérmicas).
La electricidad circulando por una resistencia la calienta.
Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calo al
deformarse.
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Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para
vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día.
Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa.
Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se
transmite en el aire: las ondas transportan energía.
¿Cómo se mide el calor?
El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la
escala de Celsius de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo
que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de
las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy
poco su temperatura.
Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante
entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud
terrestre.
La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse"
incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud
llamada "calor específico" (Ce) : calor que necesita 1 g de sustancia para
aumentar 1 grado su temperatura.
En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado.
Caloría
Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente
1º su temperatura" (más exactamente para pasar de 14,5 º a 15,5º)
Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su
equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía
mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de
energía el julio (1 caloría = 4,18 Julios ).
En el S.I. el Ce (agua) = 4180 J/kg ºK.
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Cada sustancia tiene un calor específico característico, casi siempre mucho
menor que el del agua.
Capacidad calorífica
Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua
depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El
producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica".
Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incrementa su
temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la
sustancia para "encajar" el calor.
El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta
sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere.
Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor
cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:
Qv
= mcuerpo · Ce (cuerpo) . ( TF - TI)
Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al
calor, es decir su Ce, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su
temperatura) antes y después de recibir o perder calor.
A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es
lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la
fusión del hielo. Si suministramos calor a una mezcla formada por hielo fundido
y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del
agua no se incrementa.
La fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada
cantidad de calor es:
Qv = m. L fusión
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Donde L fusión es el calor latente de fusión expresado en J/kg , una cantidad
característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para
separar la moléculas al pasar de sólido a líquido.
4.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR
La mejor forma de diferenciar las formas de transferencia de calor resuta literalmente
cierta: El calor ―vuela‖ por radiación, ―fluye‖ por convección y camina por
―conducción‖.
Transferencia de calor por CONDUCCIÓN.
En un sólido opaco y homogéneo, es la transferencia de calor de una parte a otra del
sólido, causada por la existencia de una diferencia de temperatura, sin que se produzca
desplazamiento de materia. La conducción implica la transferencia de energía cinética
de una molécula a otra adyacente, siendo éste el único mecanismo del flujo calorífico en
un sólido.
Por ejemplo, la transmisión de calor a través de los ladrillos de un horno o de la
envolvente metálica de un caldero, se efectúa por conducción desde la parte interior
hacia la exterior. En sólidos transparentes (ejemplo: el vidrio), parte de la energía se
transfiere por radiación y parte por conducción.
La transmisión de calor por conducción está regida por la Ley de Fourier, que en el
caso de flujo unidireccional viene dada por la siguiente expresión :
Qc = U . A. (T1 – T2)
= A. (T1 – T2) = A. tl — t2 (Kcal/h x m2)
e/k
R
Donde:
calor transmitido por conducción por m2 y hora (Kcal/h.m2)
temperatura de la zona más caliente (0C)
temperatura de la zona más fría (0C)
conductividad térmica del material (función de la temperatura)
(Kcal/h x m2 °C
e = espesor del sólido en la dirección de la transmisión (m)
R=
resistencia térmica del sólido (ºC x h x m2)
Kcal
Q=
T1 =
T2 =
k=
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La transferencia de calor por conducción:
aumenta cuando aumenta la conductividad térmica del material.
aumenta cuando aumenta la temperatura de la zona más caliente.
aumenta cuando disminuye la temperatura de la zona más fría.
disminuye cuando aumenta el espesor.
Figura 4.14
Transferencia de calor por conducción
a través del metal de la olla
Transferencia de calor por CONVECCIÓN
La transmisión de calor por convección se refiere generalmente a a la
transferencia de calor desde la superficie límite de un sólido a un fluido, debido
a las diferencias de densidad entre las zonas calientes y frías del mismo
(convección natural), pudiendo favorecerse este movimiento por medios
mecánicos (convección forzada).
Para calcular el calor transmitido por convección se aplica la fórmula:
Q
=
hm . (ts – tm) = ts - tm = ts - tm (Kcal/h x m2)
1
R
hm
Donde:
Q = Calor transmitido al fluido desde la superficie de un sólido por m2 (Kcal/h . m2).
H = coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido sin incluir la energía radiada
(Kcal/h x m2 ºC)
ts = temperatura de la superficie del sólido (0C)
tm = temperatura media del fluido (0C)
R = resistencia térmica
0
C x h x m2
KcaI
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La transferencia de calor por convección:
- aumenta cuando aumenta ts
- aumenta cuando disminuye tm
- aumenta cuando aumenta el valor de hm
El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fácil de determinar
teóricamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y correlaciones utilizando
la teoría de modelos y números adimensionales.
Varía con:
- Las propiedades físicas del fluido (conductividad térmica, densidad, calor
especifico, viscosidad).
- Dimensiones del aparato
- Velocidad del fluido
- Existencia de cambio de fases
- incremento de temperaturas
Figura 4.15
Transferencia de calor por convección entre los gases que fluyen y las paredes
de los tubos y entre la masa de agua fría y caliente en el interior del tanque.
Transferencia de calor por RADIACIÓN.
Es la transferencia de calor mediante energía radiante que parte de la superficie de la
sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita de un soporte material. Cuando
esta energía alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra parte puede ser
transmitida a través del cuerpo receptor, cuando es diatérmico y finalmente el resto es
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absorbida. La radiación térmica se asocia a una radiación electromagnética con un
intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100 micras.
Para calcular el calor transmitido por radiación se aplica la fórmula:
c. e. (T14 - T24) Kcal/hm2
Q =
en donde:
Q : calor emitido por radiación por m2 y hora (Kcal/h.m2)
Kcal
C = constante de valor = 4,88 x 10-8 h.m2. 0K4
e = emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante.
T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273)
T2 = Temperatura del cuerpo receptor °K (0C + 273)
Figura 4.16
EMISIVIDAD DE LLAMA
1
0,9
CARBON
0,8
PETROLEO
EMISIVIDAD
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
GAS NATURAL
0,2
0,1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
RELACION (C/H)
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Figura 4.17
Transferencia de calor por radiación de la llama
a las paredes y el material en proceso
4.4.3 PÉRDIDAS DE CALOR AL AMBIENTE
Vivimos inmersos en una gran masa de aire que nos rodea y envuelve, influenciando
directamente todas las formas de vida y actividades sobre la tierra.
Termodinámicamente, representa el medio que establece las condiciones de presión y
temperatura hacia las cuales se orienta el equilibrio total.
Desde el punto de vista de la combustión, se definen como pérdidas termodinámicas de
cualquier sistema, las que se producen por transferencia de calor por convección y
radiación al medio ambiente.
En la medida que se aísle un sistema del ambiente, disminuirá su influencia atmosférica
sobre las condiciones termodinámicas internas:
Una combustión abierta, con llama expuesta, tendrá las máximas pérdidas de
calor por convección y radiación.
En equipos térmicos con procesos de combustión como fuente de calor, las
pérdidas al ambiente dependerán del nivel de aislamiento de la llama y las
superficies de intercambio térmico respecto al aire exterior.
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Los niveles de exceso de aire en la combustión resultan determinantes en las
pérdidas de calor con los gases de combustión.
En Calderos Pirotubulares bien aislados las pérdidas termodinámicas
inevitables representan alrededor del 12-14 %, estableciendo el nivel máximo
de eficiencia posible del sistema.
En Calderos Acuotubulares que manejan niveles termodinámicos más altos,
tienen mayores superficies de intercambio y menores niveles de coeficientes de
transferencia de calor por convexión interna, los niveles de pérdidas por
radiación, convección y gases de chimenea puede llegar a 14-16%.
En todo tipo de Hornos, las pérdidas de calor al ambiente estarán determinadas
por la intensidad térmica de los procesos, los niveles de aislamiento y la
regulación operativa. Los niveles de pérdidas termodinámicas quedarán
establecidos en el diseño del Horno.
Como criterios prácticos de aplicación general, podemos a asumir los siguientes:
A) El aislamiento económico de un equipo y/o sistema de combustión puede
comprobarse colocando la mano sobre las superficies exteriores. Si se puede
mantener el contacto durante 5 segundos, el aislamiento resulta suficiente y
adecuado, resultando el nivel de pérdidas al ambiente menos importante que el
costo de un aislamiento mayor.
B) Para el cálculo del nivel de pérdidas por radiación, se puede considerar
suficientemente preciso para instalaciones industriales un coeficiente de
pérdidas por radiación y convección de superficies metálicas expuestas al medio
ambiente una pérdida de 0.5 Kcal/m2..h..°C, representando generalmente entre 2
y 3 % en calderas y 3 a 5 % en hornos.
Figura 4.18
Aislamiento térmico en Refinerías
4.4.4 REFRIGERACIÓN Y ENFRIAMIENTO POR AIRE
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La disponibilidad permanente y gratis del aire, además de sus bajos niveles de
coeficiente térmico, lo convierten en el refrigerante y/o enfriador ideal para sistemas de
combustión y procesos industriales en general. Analicemos algunas de sus aplicaciones
más frecuentes:
En el diseño de quemadores que deben trabajar en el interior de hornos con
procesos térmicos muy exigentes, tales como los cementeros, de vidrio,
siderúrgicos, metalúrgicos, etc., el Flujo de aire primario y secundario a través
del propio quemador permite proteger los materiales del cuerpo del quemador,
manteniéndolos por debajo de sus puntos de fatiga térmica.
Figura 4.19
Quemador con oxígeno
refrigerad por aire
En el diseño de cámaras de combustión para generación de gases para secado
(muflas) se considera la concentración central de la llama y la introducción de
parte del aire de dilución, necesario para bajar las temperaturas de llama
(1200°C o más) a las requeridas para secadores (menos de 300°C), en un anillo
exterior refrigerante que protege al refractario.
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Figura 4.19
Aire de dilución de gases
para secado
La refrigeración exterior de la chapa del horno mediante ventiladores para
alargar campañas de operación resulta un argumento extremo pero efectivo. En
realidad lo que se hace es incrementar la velocidad del aire en la zona afectada,
uno de los parámetros en la fórmula de Stefan Boltzmann para cálculo del calor
trasferido por radiación y convección, acelerando el gradiente térmico.
Figura 4.20
Horno Rotatorio refrigerado
externamente por aire
Los materiales aislantes que permiten guardar el calor en el interior de los
sistemas y equipos de combustión deben su capacidad aislante a la presencia de
aire en los poros, lo que los hace materiales livianos, a diferencia de los
materiales refractarios que soportan más el calor cuando son mas compactos y
pesados. Sin embargo, la capacidad aislante del aire disminuye en la medida
que se produce el movimiento que favorece la convección.
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Figura 4.21
Lana mineral aislante
El enfriamiento de los productos de procesos industriales permite, además de
proteger a los sistemas de transporte, recuperar calor y recircularlo al proceso
como aire secundario.
Figura 4.22
Enfriador de Parrilla con aire
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4.4.5 RECUPERACIÓN DE CALOR
La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma y
deberíamos aprovecharla en todas sus formas. Solamente
resultan pérdidas de calor justificables las termodinámicamente
irrecuperables.
El aprovechamiento del calor liberado en la combustión completa debe ser transferido y
depende de la eficiencia de esta operación el nivel de eficiencia del sistema, existiendo
siempre la posibilidad de recuperar el calor que se pierde al ambiente. La posibilidad
técnicamente más razonable resulta aprovechar este calor para precalentar el aire
requerido por la combustión, pero debe tomarse en cuenta que al calentar el aire
disminuye su densidad, lo cual afecta las funciones que cumple el aire en la combustión.
Aparentemente siempre resultará buen negocio recuperar calor que se pierde al
ambiente y recircularlo a la misma fuente de calor, ahorrando combustible, pero debe
tomarse en cuenta que al calentarse el aire disminuyen su calidad como comburente y
el impulso del aire primario que aporta la energía cinética para la mezcla.
Para mostrar con objetividad la conveniencia de recuperación de calor a través del aire
de combustión efectuemos una evaluación comparativa de lo que representa el calor
recuperado y cuanto se afecta la calidad del aire para la combustión, comparando tal
efecto con el que se produce al disminuir la presión con la altura.
Analicemos algunos casos:
Para un caldero de vapor pirotubular de 300 BHP que consume 84 Galones/hora
(nominal) de Fuel Oil o Residual 6, equivalente a 300 kg/h de combustible con 20% de
exceso de aire y un consumo de 3790 m3N de aire, equivalente a 4888 kg/h de aire:
Al calentar 10 °C el aire de combustión: 10 °C . 0.25 Kcal/Kg.h.°C = 2.5 Kcal/Kg.h
2.5 Kcal/Kg. 4880 Kg = 12220 Kcal/h
Ahorro: 1.25 Kg de R-6/h = 0.6 US$/ año. 5000 h/año = US$ 3.000/año
Instalando un Intercambiador de calor que incremente 50°C la temperatura del aire se
ahorrarían US$ 15.000/año.
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Al aumentar 50°C la temperatura del aire su densidad disminuirá proporcionalmente,
requiriéndose 1.18 veces más de volumen de aire (14.9 m3/kg), debiendo tomarse las
precauciones necesarias para compensar la caída de presión en el circuito, para asegurar
la disposición de masa suficiente de oxígeno y el incremento de turbulencia necesario
para asegurar com bastión completa.
Comparativamente, al calentar 50°C la temperatura del agua, en el mismo caldero:
4700 kg/h . 1 Kcal/kg.°C . 50°C = 1437.000 Kcal/h
Ahorro estimado: US$ 70.000/año . Esta comparación explica la ventaja de instalar
economizadores y no recuperadores de calor en calderos.
Figura 4.23
Economizador para Calderos
En el caso de hornos, la recuperación de calor debe ser considerada desde la concepción
del proceso y las operaciones que comprende el sistema, tomando en cuenta que lo que
trabaja siempre es la masa de aire, resultando el volumen que ocupa solamente una
condición circunstancial.
Una buena comparación para apreciar el verdadero efecto del calentamiento del aire
sobre su calidad como comburente resulta de comparar en el Gráfico de la Figura 4.8 el
efecto sobre el aire de la altura y la temperatura.
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4.5 COMBUSTIÓN EN ALTURA
La selección equivocada del tipo de quemador para sus hornos a 3800 s.n.m en el
Complejo Metalúrgico más importante del mundo (Cerro de Pasco, Centromin
Perú y Doe Run sucesivamente) determinó que se opere ineficientemente durante
70 años y que La Oroya se convierta en la ciudad mas contaminada del mundo
El desarrollo de la tecnología de la combustión ha sido efectuado para
condiciones normales, desconociendo la notable variación de características
que reviste la combustión en altura.
En realidad la modificación de condiciones operativas origina en la variación de las
características del aire, porque el combustible sólido y líquido se afecta muy poco, y los
gases se manejan a presiones ajenas a la atmósfera, por distribuirse y utilizarse en
sistemas y circuitos aislados.
El efecto de la altura sobre las características del aire ya ha sido establecido t se han
determinado las acciones que permiten compensar la deficiencia del aire en altura, para
no afectar la calidad de combustión en equipos diseñados para operar en condiciones de
presión y temnperatira de aire normales.
En este punto analizaremos su efecto sobre las condiciones que se presentan en los
sistemas de combustión interna y externa en plantas industriales ubicadas por encima de
1000 metr0os sobre el nivel del mar..
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4.5.1 Influencia de la altura sobre la Operación de Calderos Pirotubulares
En un caldero pirotubular la capacidad de producción de calor depende
fundamentalmente del suministro de masa de aire para la combustión y la capacidad
para circular y extraer los gases de combustión. Generalmente el quemador aporta todo
el aire de combustión y el tiro forzado suficiente para desplazar los gases hasta la base
de la chimenea, donde se regula el tiro con el dámper y se elimina los gases con el tiro
natural.
Al operar un caldero normal en altura se afectan los siguientes factores :
La capacidad del caldero quedará limitada por la disminución de masa de
oxígeno para la combustión, determinando una disminución de la capacidad real
del caldero para generación de vapor. Por ejemplo: Un caldero de 300 HP tiene
una capacidad nominal de generación de vapor de 5000 Kg/h; instalado a 3000
m.s.n.m de altura solamente podrá producir 3250 Kg/h, resultando equivalente a
un caldero de 200 BHP, desde el punto de vista del defecto de aire como
comburente.
La disminución del flujo másico de aire para proporcionar el impulso necesario
para mezcla y desplazamiento de gases podría ser compensado parcialmente por
la mayor velocidad de ingreso del aire, solamente si el ventilador tiene la
capacidad (presión estática en la descarga), para compensar la caída de presión
consecuente, de lo contrario, también podría limitar la producción de calor y
vapor en un porcentaje adicional.
Para compensar el fenómeno de altura tendría que reemplazarse el ventilador
por otro de mayor caudal y presión, probablemente un turbo soplador (120 –
200 mBar), pero no podría mantenerse las condiciones de eficiencia debido a la
aceleración del paso de los gases a través de la zona convectiva.
La eficiencia del caldero podría afectarse en mayor proporción cuando se utilice
combustibles difíciles de quemar en los cuales resulte fundamental la calidad de
mezcla. Cuando la forma de atomización depende del aire atmosférico la
operación podría resultar imposible de optimizar por no poderse conseguir una
atomización perfecta
Los fabricantes de equipo pretenden compensar las deficiencias del aire en altura
vendiendo equipos de mayor capacidad, obteniendo mayores beneficios económicos.
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La adecuada selección de ventiladores con suficiente capacidad para compensar la
disminución de presión en altura y/o la modificación de los existentes, resultará
suficiente para alcanzar similares condiciones operativas que en condiciones normales.
4.5.2 Influencia de la altura sobre la Operación de Calderos Acuotubulares
En Calderos Acuotubulares el problema químico sería similar, dependiendo la
extracción de gases del sistema de circulación (forzado o inducido). En este caso
también podría afectarse la transferencia de calor por radiación si disminuye la
temperatura de llama, lo que podría suceder por falta de intensidad de mezcla.
Respecto a la calidad de transferencia de calor también se vería afectada por el mayor
volumen de gases inicial, resultando necesario incrementar la succión para compensar el
aumento de presión en el hogar. Debe tomarse en cuenta que en un caldero pirotubular
el 80-85% se transfiere por convección, mientras que en acuotubulares la proporción de
calor transferido por radiación aumenta proporcionalmente con su capacidad hasta
llegar a un 85 %. Un caldero acuotubular de 50 TM/hr transfiere 50/50 % de cada uno
de los tipos de transferencia de calor.
La compensación del aporte de mayor volumen de aire y/o incremento de presión podría
aumentar la velocidad de circulación de gases, afectando la eficiencia del sistema y
poniendo en riesgo los tubos del economizador en casos extremos.
En calderos acuotubulares la complicación del trabajo del quemador y la formación de
llama puede también complicarse, pudiendo afectar la integridad de los tubos en caso de
ancharse o alargarse la llama, ocasionando el impacto de llama sobre tubos o estructuras
metálicas y/o refractarias dentro del caldero.
La misma compensación anotada para calderos pirotubulares y el asegurarse de que el
quemador tenga capacidad para formar llama cónica hueca, resultarán
suficientes
para optimizar el sistema.
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Figura 4,24
Quemador de atomización y formación de llama
con aire a baja presión, inadecuado para operar
en altura.
4.5.3 Influencia de la altura sobre la Operación de Hornos de Proceso
En el caso de hornos de procesos, la influencia de la altura dependerá del tipo de
quemador empleado.
La sustitución de un soplador por un ventilador puede compensar la deficiencia de
masa, incrementando la presión de suministro, pudiendo modificarse el diseño del
quemador que determina la forma de llama : Potencia Específica y Swirl.
Cuando el quemador es del tipo de atomización por aire a baja presión, el problema
resulta muy grave, porque la deficiencia de masa y consiguientemente de impulso
resultará insuficiente para conseguir la atomización perfecta que resulta necesaria para
conseguir atomización completa con combustibles líquidos.
Un caso típico es el del quemador Hauck, que utiliza el aire del ventilador para atomizar
combustibles líquidos (Figura 4.25). A la deficiencia de aire de atomización se le
agrega la insuficiencia de masa de oxígeno para la combustión y falta de impulso para
desplazamiento de los gases quemados y la operación del quemador Hauck en altura
resulta muy deficiente.
Para compensar tales deficiencias resulta imprescindible sustituir el ventilador por un
turbo ventilador que proporcione toda la masa de aire e impulso requeridos.
Adicionalmente y en forma adecuada para cada proceso, se debe efectuar las
modificaciones que resulten necesarias el el circuito de gases y transferencia de calor.
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4.5.4 Influencia de la altura sobre la Operación de Motores Endotérmicos
Los motores de combustión interna se afectan con la altura en la medida que disminuye
la presión de admisión, pero compensando este factor mediante un sistema de turbo
compensación, el desarrollo interno de la combustión resulta similar o mejor al que se
consigue en condiciones atmosféricas normales.
Los equipos de uso más generalizado de esta clase son los motores Diesel y las turbinas
de gas.
En los motores Diesel la influencia de la altura se manifiesta por efecto de
la disminución de la presión y la densidad, debiendo compensar tales
deficiencias con turbo compresores.
En turbinas, las deficiencias de altura deben ser compensadas en la
capacidad de los compresores de aire, para asegurar que la masa que
impacta los álabes resulte similar a la prevista para su operación en la
consta.
4.5.5
Enriquecimiento del aire con oxígeno
En las funciones del aire en altura y en procesos que requieren elevadas temperaturas de
operación, se puede justificar el enriquecimiento de aire con oxígeno para normalizar
su comportamiento o elevar la temperatura de llama para conseguir mayores
velocidades de calentamiento y menores tiempos de fusión.
El enriquecimiento del aire se puede efectuar mediante los siguientes procedimientos:

Enriquecimiento general del aire de combustión
Consiste en inyectar oxígeno a la salida del ventilador, efectuando la dosificacion en
forma másica. Tomando en cuenta que la combustión con oxígeno representa tener una
temperatura de llama de 3200-3400 °C (adiabática), al disponer de la posibilidad de
controlar la temperatura de llama que más convenga para cada caso, e incluso variar el
flujo para cada fase del proceso, se puede instalar un sistema de regulación automático.
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Como un ejemplo, a 2350 metros de atura, el contenido másico del aire atmosférico será
de 235 gr/m3, para disponer de un comburente normal, se tendría que adicionar la msa
de oxígeno necesario para tener una mezcla con 23/ en masa.

Inyección directa de oxígeno en la llama
En esta técnica se utiliza la inyección a alta velocidad de oxígeno en el cuerpo de la
llama, con el propósito de pueden conseguir una elevación de temperatura de la misma,
favoreciendo la transferencia de calor por radiación.
En la práctica se confrontan dos grandes in convenientes: Se quema el tubo de oxígeno,
al ser expuesto a las temperaturas del hogar; se produce convección en la llama al
producirse zonas calientes de llama en la zona de inyección, lo cual podría producir una
desviación de llama, en algunos casos peligrosa.

Empleo de un quemador auxiliar oxi-fuel
Los quemadores oxi-fuel inyectan una llama de alta temperatura en el cuerpo de la llama
principal, confrontando los problemas de alta radiación a las zonas circundantes y la
tendencia a la retrollama.
En la Figura 4.25 se muestran los sistemas que se emplean con oxigeno.
Figura 4.25
Combustión con Oxígeno
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Capítulo 5
Caracterización
del Gas Natural como
combustible industrial
5.1 Origen y tratamiento del gas natural
.
El Gas Natural es una mezcla de
hidrocarburos parafínicos, que incluye el
Metano (CH4) en mayor proporción, y
otros hidrocarburos en proporciones menores y decrecientes. Esta mezcla generalmente
contiene impurezas tales como vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido de
carbono, nitrógeno y helio.
Hasta el presente se presume que el petróleo y el gas se han formado como resultado de
variaciones sufridas por la materia orgánica proveniente de animales y vegetales, debido
a la acción bacteriológica y a elevadas temperaturas y presiones producidas durante
millones de años, por efecto del asentamiento de las capas de sedimentos que la
contienen (Figura 5.1).
El gas, como el petróleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos
de ciertas rocas, en estructuras geológicas llamadas yacimientos los cuales pueden ser
de tres tipos:
a) Yacimientos de gas asociados, donde el producto principal es el petróleo.
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b) Yacimientos de gas seco o libre, donde el producto principal o único es el gas
mismo.
c) Yacimientos de condensados, donde el gas se encuentra mezclado con hidrocarburos
líquidos y a este tipo de gas se le denomina gas húmedo.
El gas natural proviene de acumulaciones subterráneas, producidas por una prolongada
descomposición bacteriana de la materia orgánica. No comprende un solo gas, sino
muchos y no necesariamente se presenta en forma gaseosa, sino que, en determinadas
condiciones, algunos de estos gases se encuentran en forma líquida. La combinación
exacta en la que se encuentran los diversos gases depende de la historia geológica de la
zona que contenga el depósito de gas en cuestión. De cualquier forma, se puede decir
que siempre el gas natural se presenta o en combinación con petróleo crudo, y entonces
se conoce como gas asociado, o en ausencia de petróleo crudo, y es conocido como gas
no asociado.
En el caso de que un yacimiento de petróleo contenga gas asociado, una parte del gas se
encuentra disuelto en el petróleo crudo y entonces se le conoce como gas en solución.
Sin embargo, una proporción del gas asociado forma una capa separada y superpuesta al
petróleo crudo, pero es incapaz de filtrarse a la superficie de la tierra por encontrarse
cubierto por un denso estrato rocoso y forma una especie de "gorra" o casquete del
yacimiento de petróleo.
Figura 5.1
Yacimientos de hidrocarburos
El gas asociado comprende metano, etano, gases licuados del petróleo (GLP) y algunos
compuestos más pesados. El etano y los GLP se denominan conjuntamente gas natural
líquido (GNL), mientras que los GLP comprenden fundamentalmente propano y butano.
Aunque tanto el gas asociado como el no asociado se caracterizan por una alta
proporción de metano con relación al GLN, se puede decir que en el no asociado la
proporción de metano contenido es relativamente mayor y menor la de GNL, por lo que
al gas no asociado se le conoce frecuentemente como ―gas seco‖ y al asociado como
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―gas húmedo‖. Sin embargo, si la parte de gases naturales líquidos que se presenta con
metano en ausencia de petróleo crudo es relativamente alta, los productos se llaman
condensados.
En el Cuadro 5.1 se muestra la composición del gas natural que se extrae de los pozos y
que contiene, además del metano, su principal componente, otros hidrocarburos más
pesados, tales como el etano, todavía típicamente un gas, el propano, un gas tirando para
líquido; el butano, un líquido tirando para gas, y los pentanos, principales componentes
de las gasolinas, las impurezas que acompañan al gas en el subsuelo y algunos gases
inertes.
Cuadro 5.1
Este gas del subsuelo debe recibir un tratamiento de separación de los condensados y
purificación, para poder ser transportado por gasoductos sin inconvenientes. La
separación del etano constituye una posibilidad de carácter petroquímico.
De esta forma, el gas natural seco que se transporta por gasoductos y que se utiliza en
plantas industriales es metano con una pequeña proporción de etano, lo que facilita
mucho su caracterización, al permitir referirse a tales hidrocarburos para conocer
sus principales características y propiedades.
En el Cuadro 5.2 se presentan las propiedades físicas de los hidrocarburos gaseosos
que se utilizan como combustibles industriales: metano, etano, propano, isobutano y
butano normal.
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Cuadro 5.2
Propiedades de los componentes del Gas Natural
Las propiedades del gas natural se podrán calcular a partir de la proporción metano
– etano y las del GLP tomando en cuenta su contenido de propano, isobutano y
butano normal, utilizando para todos los casos la siguiente fórmula.
Siendo xj la fracción molar (volumétrica) del componente ―j‖ y Pj alguna propiedad
como el poder calorífico, la densidad, etc..
Aplicando esta fórmula, podemos conocer las características de cualquier gas natural.
Utilizando como ejemplo un gas natural con 95% de metano (x1 = 0.95) y 5% de etano
(x2=0.05) tendremos los siguientes resultados para las propiedades que definen su
comportamiento a nivel industrial :
Poder Calorífico Superior (Hs)
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Hs = 9530 (0.95) + 16860 (0.05) = 9897 kcal/m3N
Poder Calorífico Inferior (Hi)
Hi = 8570 (0.95) + 15390 (0.05) = 8911 kcal/m3N
Densidad relativa (respecto al aire)
ds = 0.5537 (0.95) + 1.0378 (0.05) = 0.578
En la misma forma se pueden calcular otras propiedades y para facilitar estas
determinaciones se pueden elaborar nomogramas.
Para el Gas Natural con 95% de metano utilizado como ejemplo, el nomograma
elaborado que se muestra en la Figura 5.2 permite comprobar los cálculos efectuados
para los poderes caloríficos y en la Figura 5.3 para la densidad.
Figura 5.2
Poder Calorifico en Función del Contenido de Metano
50000
48000
Poder Calorifico (MJ/Nm3)
46000
º
Poder Calorífico Superior
44000
42000
40000
Poder Calorífico Inferior
38000
36000
34000
32000
30000
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
Porcentaje de Metano
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Ing. Percy Castillo Neira
Figura 5.3
Densidad en Función del Contenido de Metano
0.70
0.68
0.66
Densidad Relativa
0.64
0.62
0.60
0.58
0.56
0.54
0.52
0.50
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
Porcentaje de Metano
5.2 Caracterización de gases combustibles
Los criterios de clasificación de gases en ―familias‖, en función de las características de
los gases o mezclas gaseosas y las condiciones de combustión, sirven para expresar
índices que resultan indicadores de las posibilidades de utilización de gases y su
intercambiabilidad.
Los más empleados son el ―Indice de Wobbe‖, la ―Fórmula de Knoy‖ y el criterio de
Delbourg.
A) Indice de Wobbe
Se basa en el Poder Calorífico Superior (H) y la densidad relativa al aire del gas, o
mezcla gaseosa (d).
Su expresión es la siguiente:
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Se adapta bien para caracterizar gases naturales secos.
Cuando en la mezcla gaseosa existe productos oxidados (CO2, CO) y por otra parte los
hidrocarburos superiores influyen, por su viscosidad, en la exactitud del Poder
Calorífico Superior, se utiliza en ―Indice de Wobbe Corregido‖, que corrige tales
deficiencias con dos coeficientes: K1 y K2, con lo que el I.W corregido es:
IW1 = K1K2 (IW).
El valor de K1 es el siguiente:
En donde (CO), (C2) y (CO2) representa las concentraciones de dichos gases.
En cuanto a K2, su valor se ha determinado estadísticamente y varía según el poder
calorífico aportado por hidrocarburos superiores al metano.
B) Fórmula de Knoy
Se usa frecuentemente en la literatura técnica de EE.UU y pretende corregir las
anomalías mencionadas mediante la siguiente fórmula:
Donde H se expresa en BTU/ft
C) Criterio de Delbourg
Para la división de gases en ―familias‖, el criterio más utilizado, sobre todo en Europa,
es el de DELBOURG. Utiliza este investigador el Indice de Wobbe (corregido si es
necesario) y otro índice que denomina ―Potencial de Combustión‖ y que correlaciona
con el caudal térmico aportado por cada mezcla gaseosa. El ―Potencial de Combustión‖
alcanza a mezclas en las que incluso existe pentano en forma de vapor y su expresión es
la siguiente:
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Como regla práctica, la densidad de un gas con relación al aire se puede hallar
dividiendo su peso molecular por el peso molecular ―medio‖ del aire, es decir:
02+3,76N2
4,76
Así la
32+105,2%
4,76
d del CH4
Del C2H6 =
137,28
= 28,84
4,76
= 16 = 0,554785
28,84
30 = 1,04
28,84
Del C4H10 =
58 = 2,011
28,84
Cuadro 5.3
Identificación de “familias de gases” - Criterio de Delbourg
La representación gráfica del criterio de DELBOURG es la mostrada en la Figura 5.4
En ella se distinguen tres familias entre sí intercambiables (aunque con rigor no lo sean
al 100%)
1ª
2ª
Familia: Gas ciudad
I.W: 3.400 - 3.800
Familia: Gas natural
I.W: 10.000 - 13.000
3ª
C: 65 - 185
C: 40 - 75
Familia: Gases licuados del petróleo
I.W: 17.800 - 23.000 C: 60 - 85
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Figura 5.4
Representación gráfica de Delbourg
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5.3 Características de combustión y llamas de gas natural
Las características de formación de llama permiten explicar el
comportamiento de la combustión de mezclas de gases combustibles aire
en cuanto al encendido, el desarrollo y la estabilidad de la combustión, lo
cual resulta de particular importancia en las aplicaciones industriales de
gas natural.
5.3.1 Límites de inflamabilidad
En el Cuadro 5.4 se muestran los límites de inflamabilidad de mezclas gas –
aire a 20° C y presión atmosférica.
Cuadro 5.4
Límites de Inflamabilidad
En una atmósfera homogénea de gas metano en aire, solo se dan
condiciones de inflamabilidad si la proporción de metano se encuentra
entre 5 y 15%.
El rango inflamable del gas natural (metano) resulta relativamente estrecho
en comparación con el de otros gases, por lo cual deberá controlarse el
nivel de exceso de aire para evitar problemas en el encendido.
La presencia de nitrógeno y vapor de agua en la zona de inflamación puede
restringir estos valores.
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5.3.2 Temperatura de autoinflamación
En el Cuadro 5.5 se muestran las temperaturas de autoinflamación de
algunos gases y vapores determinados según Ensayo DIN 51794 a presión
atmosférica.
Cuadro 5.5
Temperaturas de autoinflamación
La temperatura de autoinflamación del gas natural resulta relativamente alta
y se explica por constituir el metano una molécula perfecta que requiere un
esfuerzo notable para disociarse antes de reaccionar y desencadenar la
ignición.
Figura 5.5
Relación de compresión límite de algunos hidrocarburos
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La Figura 5.5 permite apreciar la relación de compresión límite de algunos
hidrocarburos y demuestra que la influencia de la cantidad de átomos de C
en el combustible sobre su capacidad autodetonante y ambos ser mayores
a los de las gasolinas comerciales.
5.3.3 Velocidad de propagación de llama
Una llama estable de una mezcla aire – gas comprendida entre los límites de
inflamabilidad se propaga a una cierta velocidad, depende de variables
físicas y químicas composición de su mezcla con el aire de combustión,
temperatura, presión, forma y dimensiones del quemador. Para el gas
natural, la velocidad de propagación o deflagración es del orden de 0.3 m/s
(Figura 5.6).
En forma similar, se designa como la velocidad crítica de retorno de llama el
límite inferior de velocidad de salida en la cabeza de un quemador con
mezcla previa aire – gas, compatible con una llama estable; si la velocidad
de salida es inferior a la velocidad crítica, la llama se propaga al interior del
quemador en la mezcla gas – aire (retrollama).
La velocidad de desprendimiento de llama es el límite superior de velocidad
de salida a la cabeza del quemador compatible con una llama estable; si la
velocidad de salida es superior a la velocidad de propagación de la llama, ésta
se desprende del quemador y se apaga.
Figura 5.6
Variación de la velocidad de deflagración
en función del factor de aire
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5.3.4 Requerimiento de aire y volumen de gases de combustión
Siendo la relación Carbono/Hidrógeno la mínima posible para el metano, componente
principal del gas natural, el volumen requerido de aire (oxígeno) para completar su
combustión será siempre mayor que el de cualquier otro combustible.
Podemos comparar los volúmenes de gases de combustión requeridos para generar
1.000 Kcal, utilizando gas natural, petróleo residual y carbón mineral con un 10% de
exceso de aire de combustión:
1.000 Kcal obtenidas con carbón mineral producen 1.24 m 3N de gases de combustión.
1.000 Kcal obtenidas con petróleo residual producen 1.31 m 3N de gases de combustión.
1.000 Kcal obtenidas con gas natural producen 1.46 m3N de gases de combustión.
De esos valores se deduce que el petróleo residual produce aproximadamente un 6 %
más de gases de combustión que el carbón mineral , y el gas natural, un 18 % más que
el carbón; asimismo, el gas natural producirá un 11 % más de gases de combustión que
el petróleo residual; sin embargo, si tomamos en cuenta que en la práctica industrial
resulta normal utilizar un 10 % de exceso de aire para gas natural, 20 % para el petróleo
residual y 30 % para el carbón mineral, utilizando eficientemente estos combustibles,
los gases de combustión generados resultarán bastante similares.
5.3.5 Termofluidodinámica de la combustión del gas natural
Aunque la Teoría Inorgánica de la Combustión establece que todos los
combustibles se queman en la misma forma heterogénea, la manera en que se
llega a este punto define un comportamiento diferente en el desarrollo de la
combustión.
Los sólidos y líquidos requieren ser molidos y atomizados para ponerse a
disposición del flujo dominante, el aire primario, en partículas de coque de
tamaño adecuado para completar su combustión en el entorno del reactor,
hogar o zona conveniente del horno.
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Siendo el gas natural un fluido capaz de aportar energía cinética para la mezcla con el
aire de combustión y siendo el tamaño de las partículas de coque resultado de su
disociación microscópica, la cinética de su reacción será mucho más rápida y el
requerimiento de turbulencia menor para completar su combustión.
Esta facilidad de combustión podría resultar conveniente desde muchos aspectos, pero
si se quema demasiado rápido convirtiéndose en gases de combustión con una llama
muy corta, resultará muy pobre la cantidad de calor que pueda ser transferida por
radiación. En este caso, el diseño del quemador debería orientarse a demorar la
combustión, controlando la disponibilidad del contacto de aire y comburente.
En la Figura 5.7 se muestra el tiempo previsto de reacción de partículas de tamaños que
corresponden a coques producto de la desvolatilización de carbón mineral y craqueo en
fase líquida de petróleo residual, disponiendo de todo el oxígeno requerido para la
reacción continua.
Figura 5.7
Tiempo de reacción de partículas de coque
3
Tiempo de reacción (seg)
2.5
2
CARBÓN ANTRACITA
COQUE DE PETRÓLEO
1.5
CARBÓN BITUMINOSO
1
0.5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tamaño de partícula (micras)
En el caso del coque producto de la disociación del gas natural que apenas alcanza unos
200 Angstrons (0,2 micras), la combustión será prácticamente instantánea.
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200
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Al no producirse tal disponibilidad de oxígeno teórico ideal en la práctica, el diseño del
quemador y la disponibilidad de impulsos que proporcionan la calidad de turbulencia y
mezcla, los objetivos para cada caso resultarán contrapuestos.
La naturaleza y tamaño de partículas de coques provenientes de carbón y petróleo
(sólidos y líquidos) exigen diversas energías de mezcla para combustión completa,
pudiendo requerir catalizadores adicionales en casos extremos.
Cuando se requiere o desea aumentar la emisividad de la llama de gas natural para
mejorar la transferencia de calor por radiación, el diseño del quemador se
orienta a ―demorar‖ la mezcla para aumentar la presencia de partículas en estado
incandescente, pero completando finalmente la combustión en el hogar o reactor.
En la Figura 5.8 se muestra las emisividades teóricas de llamas.
Figura 5.8
Emisividades teóricas de llama
Los aspectos de mecánica de fluidos comentados nos permiten aproximar el
comportamiento de la combustión en algunos casos de la práctica industrial :
Al utilizar gas natural en quemadores y condiciones previstas para combustibles
líquidos, la combustión es instantánea.
En quemadores mixtos gas – líquidos o gas – sólido, la combustión instantánea
del gas favorece la cinética de reacción y las posibilidades de combustión
completa, aun para combustibles muy poco reactivos.
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La inyección de gas y aire, ambos con impulso considerable, podría ocasionar
que no se complete la combustión por falta de calidad de mezcla; por ello,
siempre debe haber un flujo dominante que succione al otro.
Al matar la presión del gas y utilizar el impulso del aire primario, se desperdicia
energía cinética y consume energía eléctrica.
5.4
CRITERIOS TÉCNICOS PARA SELECCIÓN DE QUEMADORES PARA
GAS NATURAL
5.4.1 La tecnología simple y efectiva del gas natural
La simplificación de la tecnología de la combustión alcanza su máxima expresión
cuando se utiliza gas natural como combustible, debido precisamente a su facilidad de
combustión. En este sentido los quemadores de gas natural deberían ser muy simples,
prácticos y eficientes, suficientemente seguros y funcionales para permitir altos niveles
de automatización en operaciones y procesos industriales.
Los fabricantes y proveedores de quemadores han efectuado un gran esfuerzo técnico
con fines comerciales orientados a sus intereses económicos, tergiversando la tecnología
de la combustión del gas natural y desarrollando diseños de quemadores
innecesariamente costosos y complicados. Desafortunadamente, la falta de tecnificación
en el campo de la combustión y aplicación de criterios adecuados por parte de los
responsables de plantas industriales han facilitado tales objetivos.
El resultado constituye para estas plantas industriales un lamentable desperdicio, pero
también al mismo tiempo una formidable oportunidad.
Un lamentable desperdicio porque la utilización de quemadores innecesariamente
costosos y complicados limita las posibilidades de conseguir niveles adecuados de
eficiencia y establecen con frecuencia condiciones de inseguridad y contaminación
ambiental, complican el mantenimiento de planta y elevan los costos operativos.
Una formidable oportunidad porque disponen de un inmenso potencial de
optimización técnica, económica y ecológica, aplicando la tecnología del presente
manual y adoptando los criterios de selección de quemadores que recomendamos en
este punto.
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5.4.2 Quemadores 100 % gas natural
Cuando llega el gas natural a una planta industrial es para quedarse, porque se construye
gasoductos para asegurar el suministro periodos muy largos. La instalación de
quemadores mixtos gas-líquido o gas-sólido para asegurar la continuidad operativa de
los equipos resulta totalmente injustificado por razones económicas, técnicas y
ecológicas.
Económicas: En promedio, un quemador mixto cuesta entre 3 y 5 veces el que
representa instalar un quemador exclusivo para gas natural, pero este no
representa el error más grave desde el punto de vista económico.
Resulta más importante el mantenimiento de todas las complejas instalaciones
para
pre-combustión de combustibles líquidos y/o sólidos, probablemente
preparados
para entrar en servicio en cualquier momento durante varios años,
sin que resulten necesarios. La eliminación total de estas instalaciones, además de
la eliminación de costos injustificados, representa la oportunidad de disponer de
valiosos terrenos para ampliaciones de producción que normalmente emergen de la
mayor
competitividad que proporciona la economía, eficiencia y limpieza del
gas natural.
Técnicas: La instalación de un quemador mixto representa directamente, la
utilización del gas natural con tecnología para combustibles líquidos y/o sólidos.
El resultado se traduce directamente en limitaciones operativas y complicaciones
de manejo y regulación de la combustión. Como se ha mostrado en puntos
anteriores, la gasodinámica de la combustión del gas natural resulta diferente a
la requerida para otros combustibles.
Ecológicas: El desperdicio de las ventajas del gas natural no se limita solamente
a menores eficiencias de combustión; podrían ocasionar, como lo hemos
comprobado en la práctica, emisiones de inquemados sólidos (hollín), gaseosos
(CO) e incluso, el propio gas natural por chimeneas. Asimismo, representa el
mantener instalaciones de petróleo residual o carbón, sucias, peligrosas y
contaminantes, sin más justificación que producir beneficios económicos para
buenos vendedores que se aprovechan de malos ingenieros de planta (Figura
5.8).
Figura 5.8
Instalaciones que deben desaparecer
cuando llega el gas natural
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5.4.3 Quemadores Gas - Aire
Tomando en cuenta que el gas natural, a diferencia de combustibles líquidos y sólidos,
también es un fluido, resulta justificado evaluar si en el diseño del quemador debe
resultar flujo dominante el gas natural o el aire de combustión.
Considerando que para quemar 1 m3N de Gas Natural se requieren alrededor de 10 m3N
de aire de combustión, generalmente resulta conveniente regular la combustión
utilizando como flujo dominante el aire, aportando en el ventilador la energía cinética
(impulso) necesario para controlar la mecánica de fluidos que permita conformar el tipo
y la forma de llama adecuado a la cámara de combustión y/o un proceso industrial
determinado, pero existen dos tipos típicos de quemadores que utilizan el gas natural
como flujo dominante: los quemadores de inspiración, de pequeña capacidad, y los
supersónicos para grandes capacidades.
Quemador de inspiración (tipo Venturi) (Figura 5.9)
Cuadro 8.1
Este quemador, como se observa en la figura, cuenta con una tobera de
inyección de gas en forma de tubo venturi, aspirando el aire primario necesario
para la combustión a través de los orificios de la parte posterior del quemador,
provocando una mezcla íntima del aire y gas.
Para casos de calderas de calefacción o industriales suelen diseñarse
quemadores atmosféricos tipo multitoberas, que son un conjunto de
quemadores del tipo mencionado precedentemente, que trabajan
simultáneamente, en forma proporcional a la cantidad de calor a suministrar.
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En la Figura 5.10, se indica un quemador de esta característica, que es
totalmente automático, y en la Figura 5.11, el esquema de funcionamiento.
Figura 5.10
Quemador automático multitobera
Figura 5.11
Esquema de funcionamiento quemador automático multitobera
Quemadores Supersónicos sin aire primario
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En el tipo de quemadores que utilizan una pequeña proporción del aire total de
combustión como aire primario como aportante del impulso para formación de llama,
con recuperación de aire secundario, se puede utilizar gas natural a alta presión (30-40
bares) en sustitución del aire primario, permitiendo mayor recuperación de calor con el
100 % de aire secundario.
En la Figura 5.12 se muestra el plato en el que se maquinan toberas axiales y radiales
con diseño De Laval, que permite inyectar gas natural a velocidades supersónicas que
pueden trabajar con 100% de gas natural o combinarlo con combustibles difíciles de
quemar, tales como carbón antracita o pet coke, con muy buenos resultados. El gas
natural le aporta los volátiles que les faltan a estos combustibles y éstos, permiten
mejorar la emisividad de llamas de gas natura.
Figura 5.12
En la Figura 5.13 se presenta el diseño original de este tipo de quemadores,
originalmente propuesto por empresas alemanas
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Figura 5.13
5.4.4 Quemadores de Difusión Aire - Gas
Constituyen los quemadores industriales convencionales y se denominan en
esta forma porque el aire y el gas natural se mezclan recién a la salida del
quemador, en el interior de la cámara de combustión, efectuándose la mezcla y
reacción de combustión por difusión.
Siendo generalmente el aire el flujo dominante que aporta el impulso para la
mezcla, la presión estática aportada por el ventilador y el diseño del difusor
determinan las características de la forma de llama y la cinética de la
combustión.
El suministro de gas debe efectuarse a baja presión, con el impulso mínimo
necesario para ponerse a disposición de la energía cinética aportada por el
aire, debiendo inyectarse en forma transversal respecto al ingreso del aire para
favorecer una mezcla rápida, encendido y combustión adecuada al reactor de
combustión que corresponda. Esta es la razón que explica que recibiendo en la
ERMP hasta 10 bares, al final del circuito de distribución, el suministro al
quemador se efectúe por debajo de 100 mBar.
En la Figura 5.14 se muestran quemadores comerciales para calderos
pirotubulares para gas natural (100%) en los cuales se puede observar el
diseño de la inyección de gas natural y el difusor de aire, con ranuras rectas,
para no acelerar demasiado la cinética de la combustión.
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Figura 5.14
Quemadores para Calderos Pirotubulares
En la Figura 5.15 se muestran quemadores mixtos gas natural – fuel oil donde
se combinan dos combustibles con comportamiento muy diferente, por lo cual
resulta más justificado utilizarlos en forma combinada para facilitar la
combustión del fuel oil y al mismo tiempo, favorecer la emisividad de la llama y
por tanto, la transferencia de calor por radiación.
Figura 5.15
Quemadores mixtos para calderos acuotubulares
Como puede apreciarse en estas vistas, la inyección de gas natural se efectúa
en sentido transversal al flujo d aire y con baja presión, para que no tengan
impulso propio y sean succionados y arrastrados por el aire, que constituye el
flujo dominante.
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5.4.5
QUEMADORES ESPECIALES
Las características de limpieza, facilidad de inyección y rapidez de combustión
del gas natural establecen importantes oportunidades de aplicaciones
industriales que no podrían implementarse con combustibles líquidos y sólidos.
Para aprovecharlas en forma conveniente se ha diseñado quemadores
especiales específicamente adecuados para cada caso. Aunque podrían existir
muchas posibilidades en este campo, mencionamos las más conocidas y
utilizadas:
Quemadores en vena de aire
Figura 5.16
Quemadores en vena de aire
La limpieza del gas natural permite la utilización de sus gases de combustión
para el secado directo. Estos tipos de quemadores representan verdaderos
generadores de gases calientes para tal objetivo; están constituidos por un
ventilador que impulsa un caudal de aire a presión relativamente baja,
suficiente para compensar la caída de presión en el sistema. En el ducto de
transporte se ubica un quemador lineal en el interior de una cámara perforada,
por donde ingresa suficiente aire para mantener la combustión, generando
gases calientes que aguas abajo se mezclan con el aire frío que transcurre por
el exterior del quemador, promediando la temperatura requerida para procesos
de secado y similares. El nivel de variación que puede mantenerse con este
sistema es de +/- 1°C, permitiendo un excelente control operativo del proceso
de secado.
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Quemadores Tipo Jet
Disponiendo de quemadores de alta velocidad que permiten completar la
combustión en el reactor, los gases de combustión producidos se utilizan
directamente para transportar materiales pulverulentos húmedos, realizando
simultáneamente la operación del transporte y el proceso de secado.
Mediante un separador estático (ciclón) se separa el material seco y se
deposita en una tolva de características adecuadas para ser dosificado al
reactor de otro proceso o prepararse para embarque.
Figura 5.17
Quemadores tipo Jet
Quemadores de combustión sumergida
Para concentración de soluciones o simple calentamiento de fluidos, estos
quemadores permiten efectuar la combustión sumergidos en la solución,
introduciendo la totalidad de gases de combustión al interior del reactor, su
calor latente y calor sensible serán íntegramente transferidos al proceso,
permitiendo alcanzar excelentes rendimientos térmicos.
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Figura 5.18
Quemadores de
combustión
sumergida
Quemadores de alto exceso de aire
En muchos procesos de secado se elimina humedad de hidrocarburos (grasas,
aceite, lacas, barnices, etc) con poder calorífico. Las normas de control de
emisiones exigen que estos hidrocarburos se quemen y conviertan en CO2 y
H2O, antes de ser eliminados a la atmósfera. Para recircular y quemar estos
gases, el principal inconveniente es su baja concentración, lo cual obliga a
utilizar combustible adicional limpio (GLP o Gas Natural) en reactores como el
mostrado en la Figura. El quemador de alto exceso de aire permite mantener la
combustión mediante un piloto que reenciende permanentemente la llama,
permitiendo generar gases relativamente fríos. La ubicación de una etapa de
intercambio térmico entre los gases sucios y los gases calientes, permite
regular la temperatura en niveles adecuados para el secado en forma directa o
con aire de dilución adicional.
Figura 5.19
Quemadores de alto exceso de aire
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5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL GAS NATURAL CON OTROS
COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
Al tener que competir el gas natural con otros combustibles en la práctica industrial, para
constituir la mejor opción de suministro energético en términos técnicos y económicos,
resultará de la mayor importancia disponer de criterios adecuados de comparación de las
características que condicionan su disponibilidad, suministro, precombustión, combustión
y post-combustión.
Los combustibles que podríamos considerar alternativas elegibles para efectuar una
comparación adecuada y útil en la práctica son, además del gas natural, el Gas Licuado de
Petróleo (GLP), Diesel 2, Petróleo Residual 6 (Bunker C), Carbón mineral bituminoso
(Hulla) y Carbón mineral Antracita (<10% de volátiles).
Para realizar una comparación objetiva hemos elegido un sistema consistente en la
designación de 10 parámetros de comparación vinculados directamente con los circuitos de
combustión industrial, elaborando con ellos un cuadro de valoración con calificación de 1
a 5, correspondiendo el valor más alto a su mejor comportamiento. Para establecer un
análisis específicamente adecuado para cada caso particular, se deberá otorgar un peso de
valoración para cada parámetro individual , asignándole un factor de 0.1 a 1.0.
En esta forma, se tendrá un factor de utilización de cada uno de los combustibles que
constituyan alternativas elegibles para una determinada planta industrial. Este factor de
carácter técnico deberá compararse directamente con su costo de empleo, permitiendo
definir opciones.
Los 10 parámetros elegidos son los siguientes:
Suministro: Involucra las posibilidades de adquisición, seguridad de suministro y la
forma de facturación. La disponibilidad de gas natural por tubería y la facturación
posterior al consumo marcan una excelente calificación al gas natural. El suministro de
combustibles líquidos, incluyendo como tal al GLP, resulta una posición intermedia y
las dificultades propias del suministro de carbón le otorgan una baja calificación a las
hullas y antracita.
Precombustión: Se refiere al circuito de preparación de los combustibles y todo el
circuito de pre-combustión, desde su ingreso a planta hasta el momento mismo de su
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ignición. También en este campo la ventaja de manipuleo del gas resulta decisiva, no
requiriendo ningún acondicionamiento para su empleo en los quemadores. En la
misma forma, los líquidos representarán una condición intermedia, con ligera ventaja
para el GLP por utilizarse como gas. La molienda y/o clasificación por tamaños de los
carbones y las dificultades para transportar sólidos, le otorgan mucha desventaja a los
carbones.
Inversión: Incluye todo el circuito de precombustión, quemadores, sistemas de
seguridad y regulación, registro de parámetros de combustión y post-combustión.
También la inversión resulta definida totalmente por la simplicidad del manejo, y en
este sentido, el gas resulta favorecido con la máxima calificación con un pequeño
castigo, por requerir especiales condiciones de seguridad en toda la instalación, que
podría involucrar su odorización.
Mantenimiento: La facilidad de desarrollar un efectivo mantenimiento también
resultará influenciado por la simplicidad de las instalaciones. En este caso el GLP
pierde las ventajas de utilizarse como gas debido a la necesidad del vaporizador y las
posibilidades de depósitos de olefinas.
Control sobre la llama: Aunque la facilidad de inyección del gas natural y su energía
cinética representan una gran posibilidad, ésta aparente ventaja resulta minimizada por
el escaso aprovechamiento del impulso del gas y los requerimientos de llamas más
emisivas para algunos procesos, exigiendo al diseño del quemador la posibilidad de
demorar la combustión. Los combustibles bien atomizados permiten un buen control
sobre las características de la llama y el manejo adecuado de la finura de los carbones
bituminosos permiten un aceptable control de llama, contando con quemadores
adecuados. En la combustión sobre parrillas, adecuado para las antracitas, el manejo de
llama resulta muy limitado, pero factible de conseguir.
Limpieza: La presencia de residuos de combustión resulta determinante para juzgar su
comportamiento en los equipos, resultando ideal en el caso del gas natural y parecido
en el GLP; los combustibles líquidos se complican algo en el caso de los petróleos
residuales y se tornan más complicados en el caso de los carbones con cenizas
variables.
Emisividad de llama: Parámetro importante en la práctica por establecer las
condiciones para transferencia de calor a los equipos y procesos. En este caso la
facilidad de combustión del gas natural representa una desventaja compensable sólo en
forma limitada por el diseño del quemador. La posibilidad es mayor en forma
proporcional al incremento de la relación Carbono/Hidrógeno, llegando al punto
máximo la alta emisividad de llamas de carbón.
Volumen de gases de combustión: También la relación carbono/hidrógeno resulta
definitiva en este caso, como se apreció anteriormente, y resulta importante para las
posibilidades de transferencia de calor por convección
Seguridad: La circunstancia de que el gas natural no pueda percibirse por la vista o el
olfato determina ciertos riesgos que afectan al gas natural y al GLP, con el agravante
para este último de resultar más pesado que el aire. En este caso las mayores ventajas
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las tienen el Diesel 2 y Residual 6, resultando menos seguras las condiciones de
manejo del carbón, debido al riesgo de explosiones de polvo de carbón en suspensión;
mayor en el caso de las hullas con altos contenidos de volátiles y mínimo en el caso de
antracitas.
Contaminación ambiental: La limpieza y facilidad para quemarse marcan una
diferencia notable en el uso de gases, menor en el caso del GLP, diesel 2 , residual y
carbones sucesivamente. En esta consideración se considera la necesidad de conseguir
siempre combustión completa.
En el Cuadro 5.6 se presenta el resultado del análisis efectuado, en el cual se obtiene
sucesivamente las siguientes puntuaciones:
CUADRO 5.6
Análisis Comparativo de Combustibles Industriales
Parámetros
Gas Natural
G.L.P
Diesel 2
Residual 6
Hulla
Antracita
Suministro
5
4
4
3
1
Pre-combustión
4
3
3
2
1
Inversión
5
3
4
3
2
Mantenimiento
4
3
3
2
1
Control de llama
4
3
4
4
3
Limpieza
5
4
3
1
2
Emisividad de llama
1
2
3
4
4
Volumen gases de combustión
2
3
3
4
4
Seguridad
4
3
4
3
2
De
acuerdo
con
este
resultado
el
precio
de
facturación
de
estos
seis
combustibles
Contaminación ambiental
5
4
4
2
2
resultarían opciones equivalentes, tomando
como32base un 35
precio de 3 28
US$/mm BTU
TOTAL
39
22 para
el gas natural, si tuviesen los siguientes precios en US$/millón de BTU.
Para poder aplicar este modelo con objetividad para cada caso específico, tendrá que
establecerse el peso específico que corresponde a cada parámetro para cada uso particular
de los combustibles en plantas industriales.
Así, su aplicación en el caso de una industria textil que utiliza procesos a relativamente
baja temperatura, con mayor utilización de transferencia de calor por convección otorgará
menor importancia a la emisividad de llama y mayor a la limpieza que permite el empleo
de gases de combustión en forma directa para calentamiento y secado.
En la industria del cemento, por el contrario, resultará fundamental la emisividad de llama
y menos importante la limpieza, dado que las cenizas serán parte del producto.
Resulta importante observar que existiendo siempre ventajas de empleo del gas natural
frente a los otros combustibles, lo que establecería un margen de conveniencia de su
empleo aún si su precio fuese mayor, el hecho de que resulte impracticable su
almacenamiento, establece precios normalmente inferiores en unidades energéticas
comparables. Esta situación permite apreciar claramente la gran conveniencia técnica y
económica de la disposición del gas natural.
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1
1
1
1
1
2
5
4
3
2
21
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CAPITULO
6
Estaciones Receptoras en
Plantas Industriales
Los sistemas de transporte conducen al gas natural seco extraído de los pozos
y procesado en plantas de separación de líquidos y refinación a través de
Gasoductos hasta los City Gates, donde se filtran partículas y gotas, se miden
y registran flujos, se controla calidad y se regulan los niveles de presión a los
establecidos requeridos en circuitos de distribución las Redes de Distribución
domiciliarias e industriales.
Los sistemas de distribución difieren según las presiones con que operan y el
material de las tuberías. Respecto de las presiones de distribución, las redes
pueden ser:
Redes de Alta Presión
Se considera Alta Presión, a todo suministro que supere los 1.96 bares (2
Kg/cm2), y está destinado a abastecer consumos industriales y a alimentar
redes de media y baja presión.
Redes de Media Presión
Se considera Media Presión, cuando el suministro esta comprendido entre
0.454 bares(0.5 Kg/cm2) y 1.96 bares (2 Kg/cm2) y se dimensionan de forma
tal que en ningún punto de la red se tenga un valor menor que el límite inferior,
porque esta es la mínima presión con que trabajan los reductores en las
instalaciones domésticas.
Redes de Baja Presión
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Las redes de Baja Presión, son las que alimentan directamente a los artefactos
de consumo a una presión de 19 mbar (0.020 Kg/cm2).
Las plantas industriales pueden recibir el Gas Natural de las Redes de
Distribución o directamente de los Gasoductos de Transporte, según las
circunstancias de ubicación geográfica, rangos de consumo, normas y
procedimientos existentes y condiciones de comercialización.
El ―Punto de Acometida‖ establece el límite entre las redes externas e
internas donde se produce la transferencia de propiedad y responsabilidad de
manejo del gas suministrado.
El primer paso en el circuito interno de gas natural en plantas industriales lo
constituye la Estación de Regulación y Medición Primaria (E.R.M.P) donde
se efectúan 3 operaciones principales para acondicionamiento del gas
suministrado a las mejores condiciones requeridas en cada planta industrial:
Limpieza de las impurezas contenidas en el gas recepcionado y que se
presentan como partículas y gotas.
Regulación de la presión a los niveles requeridos en los sistemas de
combustión.
Medición fiscal del flujo de gas natural para efectos de facturación y
evaluación de costos operativos.
6.1
SITUACIÓN, CARACTERÍSTICAS Y NORMAS DE INSTALACIÓN DE
ESTACIONES RECEPTORAS
6.1.1 Situación de la E.R.M.P.
La Estación de Regulación y Medición se instalara sobre la línea municipal del
predio donde se encuentra el establecimiento del usuario. La instalación se
realizara en forma aérea, por lo tanto será conveniente que se la provea de
resguardo para las condiciones climáticas imperantes en la zona.
El terreno escogido para la instalación de la Estación receptora será
fácilmente accesible, lo más cerca posible a la vía pública y al abrigo de
inundaciones.
Los representantes de la Empresa distribuidora de Gas tendrán acceso libre
a la cabina en todo momento, sin pérdida de tiempo, quedando reducidas
las formalidades eventuales al mínimo.
Para limitar y evitar las posibles consecuencias de un accidente en la
Estación receptora, ésta deberá situarse lo suficientemente alejada de los
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accesos a otros edificios y talleres, de forma tal que los posibles escapes
de gas no puedan alcanzar los locales vecinos.
La conexión de la Estación receptora a la red de distribución exterior, mejor
dicho, a la válvula del ramal de alimentación, se realizará con una tubería
capaz de resistir la misma presión de servicio que la tubería de la Empresa
suministradora.
Antes de la entrada a la Estación receptora, el usuario instalará una válvula
de interceptación de apertura y cierre rápido (un cuarto de vuelta),
fácilmente accesible y claramente señalizada, que permita aislar la
Estación. Dicha válvula estará convenientemente protegida contra golpes
accidentales. La distancia de esta válvula al recinto de la cámara será la
suficiente para permitir que su cierre, en caso de emergencia, pueda
efectuarse con el menor riesgo posible.
La válvula de seccionamiento, como la tubería de conexión, será de acero,
capaz de resistir la misma presión de servicio que la red de la Empresa
suministradora de gas.
6.1.2. Modo de instalación
Las Estaciones receptoras podrán instalarse en locales cerrados
independientes, al aire libre o a simple abrigo e incluso en armarios,
en instalaciones de pequeña capacidad.
a)
Estaciones en locales cerrados o independientes
Las dimensiones del recinto varían de acuerdo a las necesidades del consumo
y al diseño de las ramas de regulación y medición. Estas pueden ser ubicadas
en un plano horizontal o en uno vertical. Se debe considerar un espacio vacío
mínimo de 600 mm, entre las instalaciones y las paredes, dentro del local, para
permitir el mantenimiento de los equipos e instrumentos.
Las dimensiones del recinto varían de acuerdo a las necesidades del consumo
y al diseño de las ramas de regulación y medición. Estas pueden ser ubicadas
en un plano horizontal o en uno vertical. Se debe considerar un espacio vacío
mínimo de 600 mm, entre las instalaciones y las paredes, dentro del local, para
permitir el mantenimiento de los equipos e instrumentos.
Se deben cumplir las siguientes especificaciones:
El piso deberá ser de cemento alisado y sobre elevado respecto al
terreno circundante.
Las paredes de mampostería con un espesor mínimo de 150 mm y con
revoque fino.
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El techo no podrá tener una altura menor que 2700 mm., y el material de
construcción será incombustible.
La ventilación mínima será de aprox. 5 % de la superficie lateral de las
paredes, mediante rejillas convenientemente distribuidas para asegurar
una normal circulación del aire. El 80 % de la ventilación será realizada
por la parte inferior y el 20 % restante, por la parte superior.
La instalación para la iluminación deberá ser anti-explosiva, apta para
clase 1, división 1, según Norma NFPA Nº 70 y que asegure un nivel
lumínico de aprox. unos 150 [lux] en las zonas de regulación y medición.
Deberá tener una puerta de acceso, directamente desde la calle, con
apertura hacia el exterior y otra hacia la planta industrial, ambas
metálicas, de 1100 mm x 2000 mm y con cerraduras de seguridad.
En el recinto, se colocara un extinguidor de fuego de polvo seco, base
potásica, con una carga mínima de 10 Kg.
Un cartel de operaciones, que indique claramente como operaran las
válvulas de corte, para la parada y la puesta en marcha de la estación.
Las estaciones receptoras cerradas no tendrán comunicación directa con otros
locales anexos tales como locales de calderas, salas de control, etc. Asimismo,
no debe existir ningún local cuyo único acceso sea a través de la estación.
Tendrán un volumen lo más reducido posible, recomendándose construir las
paredes exteriores de ladrillo, hormigón u otro material resistente similar. En los
locales cerrados deberán preverse aberturas de entrada de aire, protegidas por
tela metálica, y aberturas de evacuación, de dimensiones suficientes para una
buena ventilación.
El espesor de las paredes de obra será, como mínimo, de:
30 cm si es de ladrillo,
25 cm si es de hormigón,
15 cm si es de hormigón armado, con un recubrimiento mínimo de la
armadura de 5 cm.
El techo será de materiales ligeros e incombustibles, no pudiendo utilizarse
vidrio. Deberá disponerse de tal forma que no esté firmemente sujeto a las
paredes. Las puertas deberán abrirse hacia el exterior, abatirse completamente
sobre el muro y estar provistas de un sistema de bloqueo. Asimismo, deben
poder abrirse desde el interior por un simple empujón.
b) Estaciones al aire libre o a simple abrigo
Estas estaciones deberán estar protegidas por una valla metálica o por un
máximo de tres muros (el cuarto será necesariamente una valla metálica). Uno
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de los tres muros podrá ser la pared de un edificio. En todo caso, podrán estar
o no protegidas por un tejadillo de material ligero e incombustible. Cuando la
Estación receptora colinde con propiedades de terceros o dominios públicos
será obligatoria la existencia, como mínimo, de un muro de separación entre
ambos.
Esta solución asegura las mejores condiciones de ventilación. Es
imprescindible, en este caso, tomar las precauciones suficientes para
garantizar la seguridad y el buen funcionamiento de los aparatos de regulación
y medida en las condiciones más favorables.
En caso de que la superficie necesaria del recinto supere los 60 m2, se podrá
optar por un recinto abierto, con las siguientes características:
Piso de cemento alisado en las sendas de circulación. El resto puede
ser de piedra granítica partida, con un espesor mínimo de 150 mm.
La longitud de la pared sobre la línea municipal se podrá extender hacia
ambos lados, tantos metros como surja de rebatir las paredes laterales
sobre dicha línea, debiéndose terminar el cerramiento con alambre de
tejido romboidal, con una altura mínima de 1800 mm.
El resto de las características es similar al del recinto cerrado
c) Estaciones en armario
Cuando las Estaciones receptoras estén construidas de forma compacta,
manera que todos los elementos que la componen se presenten agrupados
un bloque único, podrán instalarse en el interior de armarios metálicos o
otros materiales incombustibles provistos de las correspondientes rejillas
ventilación.
de
en
de
de
Dichos armarios dispondrán de las puertas y de los elementos desmontables
necesarios para permitir un cómodo acceso a todos los aparatos de la cámara
de regulación, facilitando los trabajos de revisión y mantenimiento. Los
armarios estarán situados al aire libre, estando provistos del sistema de
protección que cada caso requiera, según su emplazamiento.
La distancia mínima entre una Estación receptora y cualquier puerta de los
locales contiguos será de 5 m.
Las paredes de separación con otros locales se deberán construir con
materiales resistentes y deberán ser estancas al gas. Serán tomadas las
precauciones suficientes para mantener dicha estanquidad, aunque las
paredes tengan que ser atravesadas por canalizaciones.
El suelo deberá ser de material incombustible y no susceptible de producir
chispas. Está prohibido el uso de plástico y de enrejado de acero para este fin.
Para asegurar una ventilación suficiente en el interior de las Estaciones
receptoras, la superficie libre total de las aberturas de entrada de aire no
deberá ser inferior al 5 % de la superficie total del recinto, incluyendo suelo y
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techo. La superficie de las aberturas de evacuación de aire será igual, como
mínimo, a la de las aberturas de entrada, sin posibilidad de cierre ni para unas
ni para otros. Cuando la ventilación natural sea insuficiente, se asegurará
mediante una ventilación mecánica con capacidad mínima de renovación del
aire de 20 veces por hora.
Las aberturas de entrada de aire se encontrarán a 15 cm del suelo, las de
evacuación debajo del techo y en el punto más alto del local. Las puertas que
dan acceso a los locales anexos de calentamiento de calderas o subestaciones eléctricas, así como las entradas a locales que contengan productos
inflamables, deberán encontrarse lejos de las aberturas de ventilación y nunca
en el mismo lado de la Estación en que se encuentran las mismas.
6.1.3 Distancias Mínimas de Seguridad
En el proyecto, también deben considerarse determinadas distancias mínimas
de seguridad a otros equipos ó instalaciones.
Desde
Hasta
E. R. M sin cabina
Calentador
Distancia
[m]
15
E. R. M con cabina
Calentador
6
E. R. M sin cabina
Punto de combustión
50
E. R. M con cabina
Punto de combustión
25
E. R. M.
TQ Pulmón
3
E. R. M.
TQ combustible líquido
E. R. M. y/o tuberías
Alta tensión aéreas
E. R. M. y/o tuberías
Alta tensión subte
E. R. M. y/o tuberías
Puesta a tierra A.T.
Calentador
TQ combustible líquido
15
Calentador
Tanque Pulmón
15
Punto de Combustión
Materiales combustibles
30
Subestación transformadora
E. R. M
10
7.5
5
0.5
0.5 c/ 10 [KV]
6.1.4 Seguridad respecto a instalaciones eléctricas
Las Estaciones receptoras deberán cumplir las siguientes condiciones de
seguridad:
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Interior de la Estación :
Se permitirá solamente la conexión a una red de baja tensión (220 voltios).
Las instalaciones eléctricas interiores (iluminación, interruptores, cables,
etc.) cumplirán las prescripciones para Baja Tensión y en particular, el
artículo que se refiere a locales que presentan peligro de incendio o
explosión.
Independientemente de ese Reglamento, todas las instalaciones interiores
de las cámaras serán obligatoriamente de tipo antideflagrante, y las
conducciones eléctricas, en toda su longitud, se efectuarán bajo tubo de
acero.
No se permitirá ninguna toma de corriente dentro de la Estación.
Exterior de la Estación:
Se prohibe que crucen cables eléctricos por encima de la Estación.
Los cables y sistemas eléctricos más cercanos a la Estación y que no sean
antideflagrantes deberán estar a una distancia mínima de 10 m de la misma
en caso de que sean aéreos, a menos que medie una pared resistente y
extensa entre ellos y la Estación.
6.1.5 Precauciones diversas
Con respecto a la seguridad contra el exceso de presión a la salida del
regulador, por funcionamiento defectuoso de éste, o por cualquier otra
causa, cada línea de regulación irá equipada con dos válvulas de seguridad
diferentes que, independientemente una de la otra, impidan a la salida del
regulador un aumento de la presión superior a los límites fijados en sus
condiciones de trabajo. Una de las válvulas actuará como reserva de la otra.
Una de estas válvulas, como hemos indicado anteriormente, será de rearme
manual, es decir, necesitará la intervención del hombre para restablecer sus
condiciones de trabajo. La otra será automática, restableciéndose las
condiciones de trabajo tan pronto como cese la anormalidad (válvula de
resorte). La primera de estas válvulas se podrá utilizar para cortar la
alimentación de la línea si la presión de salida del regulador desciende por
debajo del valor mínimo fijado para su buen funcionamiento (válvula de
seguridad de máxima y mínima presión).
Referente al silbido, que según el nivel sonoro puede llegar a molestar,
producido en algunos casos por el regulador, las válvulas o las tuberías, se
recomienda lo siguiente:
Evitar que el regulador, o su obús de paso, sea demasiado pequeño;
Evitar las válvulas de paso reducido;
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Evitar las T rectas y, en general, todo cambio brusco de dirección;
Utilizar piezas de reducción en las que el ángulo de abertura sea inferior a
15 0C;
Mantener, siempre que sea posible, la velocidad de circulación del gas por
los anteriores elementos y por las tuberías a una velocidad inferior a 30 m
por segundo.
En las regiones que frecuentemente están expuestas a los efectos de las
tormentas, será prudente proteger la instalación con un pararrayos o jaula
de Faraday, concebido e instalado siguiendo las reglas que existen para los
mismos. Las tomas de tierra deberán ser independientes de las demás
instalaciones.
Todas las instalaciones de la Estación receptora a partir de la salida de la
junta dieléctrica deberán encontrarse siempre al mismo potencial eléctrico.
Para lograrlo, se realizarán una o varias tomas de tierra cuya resistencia
será en todo momento inferior a 10 ohmios.
Las tuberías de escape de las válvulas de salida a la atmósfera se
prolongarán por encima del local, por lo menos un metro sobre el punto
más alto del techo.
Se proveerán de apaga-fuegos y la boca de salida estará coronada con un
capuchón o cualquier dispositivo que impida la entrada de cuerpos
extraños. Las chimeneas de las calderas o del cambiador de calor sobrepasarán, como mínimo, un metro del punto más elevado del techo y estarán
alejadas de las tuberías de escape de gas a la atmósfera. Sus bocas se
protegerán con sombreretes. No podrá instalarse ningún material
suplementario al estrictamente necesario para la explotación de la Estación.
Se prohibirá la entrada al personal ajeno a su funcionamiento o
mantenimiento.
Se instalarán extintores de polvo seco en número suficiente en las
proximidades de la Estación y fuera de la misma.
Se colocarán letreros de prohibición de fumar o producir chispas en la
cámara de regulación y medida, en número suficiente y en lugares visibles.
El utillaje de la cámara de regulación y medida deberá estar fabricado con
materiales no susceptibles de provocar chispas.
La válvula de seccionamiento exterior a la cámara estará claramente
señalizada.
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6.2
DISEÑO Y MONTAJE DE ESTACIONES RECEPTORAS
6.2.1 ESQUEMA GENERAL DE LA INSTALACIÓN
En general, la composición de las estaciones receptoras se ajustan a los
esquemas generales de las Figuras. 6.1 y 6.2, según que correspondan a
estaciones de servicio interruptible o de servicio continuo, adecuándolas a
las necesidades de cada usuario. Estos esquemas se simplifican
suprimiendo algún elemento según la categoría de la estación y los
caudales que circulan por ellas.
Las estaciones de servicio interruptible están constituidas básicamente por una
sola línea de regulación, con válvula laminar de bypass y las de servicio
continuo por una doble línea en paralelo, ambas de la misma capacidad,
figurando la segunda como reserva. En algunos casos, la segunda línea se
deja siempre abierta y se calibra a una presión ligeramente inferior a la primera,
de forma que cualquier anomalía de ésta origina la puesta en marcha
automática de la reserva.
Cada línea constará de: uno o dos filtros (para permitir su limpieza sin
interrumpir el filtrado); cambiadores de calor (sólo necesario para reducir la
presión en más de 10 bar y en zonas frías, siendo obligatorio en las estaciones
de la categoría II); válvula de seguridad de máxima y mínima presión
(incorporada o no al regulador), regulador de presión (con o sin monitor o
piloto); válvula de escape o alivio (segunda seguridad de máxima); y,
finalmente, contador. Las líneas estarán provistas de dos juntas dieléctricas,
una a la entrada y otra a la salida para aislar eléctricamente la estación
receptora del resto de tuberías; una toma de tierra, un conjunto de válvulas de
bypass y de cierre, y conjunto de manómetros ~ termómetros.
Tanto en el caso de línea única como en el de doble línea en paralelo, el
contador será único, permitiendo el registro de flujo tanto de una línea como de
la de reserva. Un bypass precintado por la compañía distribuidora de gas, y
una brida ciega, permitirán, en caso de bloqueo del contador por avería, romper
el precinto, retirar la brida y dar paso al gas por el bypass, avisando a la
compañía del incidente.
En el proyecto de las estaciones receptoras, se deberá tener en cuenta los
siguientes extremos:
Presión mínima del gas suministrado;
Presión máxima del gas suministrado;
Pérdidas de carga en tuberías y elementos que integran la instalación;
Salto de presión ( P) disponible en la línea de regulación;
Presión de utilización;
Caudales horarios de gas.
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Figuras 6.1 y 6.2
Esquema de estaciones receptoras de gas
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Estos extremos determinarán la capacidad y tipo de todos los aparatos.
A la entrada del ramal de abonado al límite de la propiedad se situará una
válvula de seccionamiento de apertura y cierre rápidos, a la que tendrá
acceso la Empresa suministradora de gas. Junto a la estación receptora del
usuario se coloca otra válvula de cierre rápido (válvula de bola), a distancia
conveniente de dicha estación, de forma que, caso de siniestro en la misma,
pueda maniobrarse sin peligro.
6.2.2
EQUIPOS Y ACCESORIOS
Como hemos visto en los esquemas anteriores, las estaciones receptoras
están compuestas de una serie de aparatos y válvulas, cuyas
características vamos a describir someramente:
a)
Válvulas de cierre
Las válvulas son siempre elementos imprescindibles de toda instalación, ya
que afectan a la manutención, entretenimiento y reparación de eventuales
averías.
Su misión es la de aislamiento de los aparatos o de la regulación manual.
Las cualidades que se exigen a las válvulas son:
Cierre hermético (interno y externo);
Apertura o cierre suave y, en algunos casos, rápida (un cuarto de vuelta);
Mantenimiento mínimo;
Resistencia al desgaste mecánico y químico;
Resistencia a la presión de servicio.
Todas las válvulas de las estaciones receptoras deben ser de acero,
admitiéndose tan sólo válvulas de fundición, en determinadas condiciones,
en la zona de baja presión. Sus diámetros deben corresponder a los de las
tuberías o aparatos a las que van unidas, y sus presiones nominales de
servicio deben corresponder a las de trabajo máximo.
Las válvulas podrán ser:
Válvulas de compuerta;
Válvulas de mariposa;
Válvulas de bola;
Válvulas de macho cónico;
Válvulas de laminación.
Las válvulas de compuerta resultan de tamaño considerable y de maniobra
lenta. Es difícil conseguir una buena estanquidad, a la larga, tanto en la
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cuña de cierre, como en su eje, cuya estopada debe apretarse
periódicamente y cuyo husillo roscado debe engrasarse para evitar
oxidaciones y agarrotamientos.
Las válvulas esféricas de mariposa y las de bola permiten obtener una sección
de paso igual a la de la tubería y, por tanto, una pérdida de carga
prácticamente nula; su tamaño es reducido, y el par de maniobra, débil; el
cierre y apertura son rápidos, por un cuarto de vuelta, y su mantenimiento
es prácticamente nulo.
Las válvulas de macho cónico tienen un difícil ajuste para altas presiones,
debiéndose conseguir la estanquidad introduciendo por el tornillo de
alimentación grasas consistentes a presión que, poco a poco, penetran por
arrastre en la canalización. Su apertura y cierre es suave y rápido.
Las válvulas de laminación tienen por objeto regular un caudal de gas o su
presión por estrangulación del paso del gas, y están concebidas para
obtener una obturación progresiva. Su presión normal de servicio está
comprendida entre 10 y 70 bar.
Elementos a tener en cuenta para la elección y montaje de una válvula
El instalador o el usuario que consulta a un fabricante de válvulas, debe
tener en cuenta los siguientes parámetros para su elección:
a) Naturaleza del gas;
b) Presión máxima de servicio;
c) Diámetro nominal;
d) Pérdida de carga interna a plena abertura;
e) Sistema de empalme a las tuberías (roscado, bridas);
f) Dispositivo de maniobra de la válvula (volante cuadrado);
g) Condiciones de instalación y posibilidades de mantenimiento (riesgo de
bloqueo de su accionamiento por el hielo, engrase de las válvulas de
mando giratorias lubrificadas, sistema de estanquidad hacia el exterior,
prensaestopas, junta tórica, etc.).
En general, en una instalación interior industrial se puede limitar a elegir
una válvula del mismo diámetro nominal que el de la canalización donde
debe colocarse.
Sin embargo, conociendo la pérdida de carga interna, se puede, en ciertos
casos, escoger un calibre de paso inferior al diámetro nominal de las
tuberías. Esta solución puede aplicarse a las tuberías de gas a media
presión (por ejemplo, a partir de un bar), que, dado el elevado precio actual
de las buenas válvulas. puede resultar económicamente justificado.
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Generalmente, los fabricantes de válvulas pueden indicar la pérdida de
carga de la misma en su equivalencia expresada en metros lineales de la
tubería del mismo diámetro nominal.
Las válvulas deben instalarse en lugares no peligrosos para su maniobra,
fácilmente accesibles y con espacio suficiente para su accionamiento o
desmontaje eventual. Cuando en el cuerpo de la válvula figura una flecha
indicando el sentido de circulación del gas, debe respetarse ésta en su
montaje.
En una válvula de asiento (aun en caso de ausencia de flecha), debe
montarse de forma que el sistema de estanquidad hacia el exterior (prensa
estopa, junta tórica, etc.) no quede en presión cuando la válvula está
cerrada; es decir, que en posición de cierre, comunique con la salida y no
con la entrada.
El sentido normal de cierre de las válvulas es el de las agujas del reloj. Debe
evitarse absolutamente la utilización de válvulas que no respondan a esas
condiciones. En cualquier caso, deberán respetarse las informaciones e
instrucciones del fabricante.
Las válvulas pueden ser accionadas automáticamente en lugar de a mano, y
su accionamiento puede ser eléctrico (electromagnético o motorizado),
hidráulico o neumático.
Dichas válvulas son del tipo de cierre a falta de energía (eléctrica o fluido de
mando).
En función de la naturaleza de los aparatos de utilización colocados detrás,
se puede admitir o no después del cierre por falta de energía de mando, la
reapertura automática cuando vuelve dicha energía (caso de cortes de
corriente).
b)
Válvulas de seguridad
Son válvulas interceptadoras automáticas, de rearme manual, de máxima y
mínima presión a la salida del regulador, situadas antes de éste, y que
garantizan el cierre en caso de sobrepresión o presión insuficiente (Figura
6.4).
Un obturador, accionado por un brazo a través de un mecanismo de
contrapeso, cierra el paso del gas cuando la presión en la cámara del piloto
del regulador, tarado para presión máxima y mínima, alcanza dichos
valores. En muchos reguladores de presión estas válvulas están incorporadas a los mismos; deben ser perfectamente estancas en posición
desarmada, y su precisión de funcionamiento en el desarme debe ser
inferior a 2 %.
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Figura 6.4
Válvula de seguridad
Como doble seguridad, para caso de anormal funcionamiento del regulador
de presión (oscilaciones, rotura de membrana, etc.) se coloca a la salida del
mismo una válvula de seguridad de resorte —parecida a las válvulas de
seguridad de los generadores de vapor— que deja escapar a la atmósfera,
mediante un tubo
En realidad, podemos considerar que se utilizan válvulas de seguridad por
venteo y bloqueo:
Válvulas accionadas por resorte ó diafragma
Este sistema consta de 2 válvulas de seguridad que actuan al alcanzarse en el
sistema, valores de presion para los cuales han sido calibradas, venteando el
exceso de gas a la atmósfera.
Estas válvulas se deberan instalar aguas arriba y aguas abajo de la medicion
principal. La primera, se dimensionará para evacuar el caudal máximo que
entrega el o los reguladores totalmente abiertos, cuando la presion de entrada
sea la máxima; la segunda válvula, solo deberá evacuar el caudal autorizado.
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Para la válvula de seguridad, aguas abajo del sistema de medicion, la presion
de apertura será un 10 % mayor que la sobrepresion garantizada por el
fabricante de los reguladores, y la presion de venteo, un 10 % por encima de
ésta.
Para la válvula de seguridad, aguas arriba del sistema de medicion, la presión
de apertura será como maximo, un 10 % menor que la presion de diseño de la
instalacion, de forma tal que la presión de venteo, alcance dicha presión de
diseño.
Sistema de Seguridad por Bloqueo del Paso de Gas
Este sistema está constituido por la válvula de bloqueo automática propiamente
dicha y una válvula de seguridad por alivio. Al producirse una sobrepresion en
la instalación, la válvula automática de corte actuará interrumpiendo el
suministro de gas, al llegar la presión al valor de calibración de la misma.
La válvula de seguridad por alivio se instalará al solo efecto de absorber las
posibles pérdidas que pudieran producirse por defectos en el cierre de la
válvula de bloqueo. Estas válvulas se instalarán aguas arriba de la medición
principal y aguas abajo de la regulación, y se dimensionarán para evacuar el 10
% del caudal autorizado, siendo su presión de apertura superior a la de corte.
Las válvulas de bloqueo serán de accionamiento neumático, debiendo tomar la
señal de control aguas abajo de la etapa de regulación, e instalándose aguas
arriba de ella.
La válvula a seleccionar deberá ser del tipo "aire para abrir" (normalmente
cerrada) y su reposición será manual, por tal razón no se admiten válvulas de
accionamiento a contrapesos. Estas válvulas podrán estar compuestas por un
actuador, cuerpo y obturador, sistema de pilotos y de ser necesario, un
controlador.
c) Sistema de Odorización
Para aquellas instalaciones a las que se suministra el gas sin odorizar y que
posean artefactos que no intervienen en el proceso industrial, tales como
cocinas calefones, calderos de agua caliente, laboratorios etc., será
imprescindible instalar un sistema de odorización
Estos sistemas son usualmente del tipo de odorización por arrastre,
dependiendo su dimensionado del caudal a consumir. Generalmente se usan
de dos tipos.
Odorización por Mecha
El odorante contenido en el recipiente asciende por la mecha y se difunde en la
vena gaseosa, tal como se ve en la fig Nº l2.
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Odorizacion por Derivación
En este caso, se deriva una parte de la corriente de gas, aproximadamente 0.1
a 0.2 %, hacia el recipiente contenedor arrastrando los vapores de odorante
que contiene el mismo, y reinyectándose nuevamente en la corriente principal,
como se ve en la fig. Nº 13.
También existen otros sistemas de odorización de inyección directa, por bomba
o
goteo, que no son de aplicación general en la industria.
Los sistemas de carga o reposición de líquido odorante podrán ser manuales o
automáticos.
Es conveniente hacer notar que en plantas donde el gas se deriva a procesos
industriales, no es necesario efectuar la odorización, e inclusive existen
procesos en los que la presencia de derivados del azufre, aportados por el
odorante, resultan perjudiciales.
Para aquellos casos en los que no se odoriza todo el sistema, y solo se lo
requiere en los servicios auxiliares, el equipo de odorización se podrá ubicar en
la línea de abastecimiento de setos y no necesariamente dentro de Planta de
Regulación y Medición.
Es conveniente instalar estos sistemas en las zonas de menor presión ó donde
esta sea más estable, lo que hará económicamente más viable su instalación.
Las condiciones que debe cumplir todo líquido destinado al proceso de
odorizacion deben ser:
No tóxico
Volátil a temperatura ambiente
No causar vómitos ó nauseas
Ser termicamente estable
Ser quimicamente inactivo
Poseer bajo contenido de derivados sulfúricos
Quemar completamente y en forma no tóxica
No ser absorbido por suelos, paredes o tuberías
Tener olor carácteristico e inconfundible.
Tener bajo umbral de percepcion olfativa
No provocar acostumbramiento.
Los odorantes mas utilizados actualmente en la Republica Argentina
Para Gas Natural
Mezcla de 80 % de butil mercaptan con 20 % de metil-etil-sulfuro.
Dosificación: 6 a 8 mgr. por m3 de gas natural
0.20 a 0.25 % de concentracion perceptible ga
Para Gas Liquido de Petroleo
Etil-Mercaptan
Dosificación. 1.250 Kg. por 100 m3 de líquido.
0.10 a 0.15 % de concentración perceptible gas-aire.
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6.3
OPERACIÓN DE LIMPIEZA
Para proteger de la erosion, por las particulas en suspension en el gas, a las
válvulas, reguladoras y elementos de medición es conveniente la instalacion de
algun tipo de separador.
El sistema separador se deberá proyectar atendiendo a las condiciones del
gasoducto que alimenta el fluido a la E.R.M.P.
Si el suministro es atendido desde un gasoducto troncal, es
indispensable contar con un separador de polvo, y si el proceso
industrial lo requiere, se podra completar con un separador de líquidos.
Si el suministro viene de una red alimentada desde una estación
reductora del distribuidor, generalmente con separadores de polvo y
liquido, solamente es necesaria la instalacion de separadores de polvo,
porque siempre es posible encontrar particulas de Fe3O2 e impurezas
que pueden provenir del mismo conducto, por nuevas soldaduras,
abrasión de la tubería, polvo negro, etc.
6.3.1 Sistemas de Filtrado
En condiciones normales, los elementos que podrían forman hidratos
reaccionan en el interior de las tuberías de acero que transportan el gas a altas
presiones y grandes distancias, formando el llamado polvo negro,
principalmente conformado por óxido de hierro, estableciendo la conveniencia
de instalar 2 tipos de filtros : Cartucho para atrapar pertículas normales y
magnéticos, para captar las finísimas partículas de polvo negro (- 1 micra).
a) Filtros tipo Cartucho
Los filtros de las estaciones receptoras, que trabajan a la presión de la red
de alimentación, son siempre cilindros con el elemento filtrante en forma de
«cartucho». El cuerpo exterior del filtro está formado por un cilindro de
acero, provisto de las tuberías de entrada y salida de gas, de una tapa o
registro que permita sacar el cartucho filtrante fuera del mismo para su limpieza y de un grifo de purga (y de descompresión) para extraer la posible
agua de condensación.
El cartucho filtrante propiamente dicho está constituido por un cilindro de
chapa perforada alrededor del cual se adapta exteriormente el material
filtrante formado por un filtro o fibra sintética. Los filtros deben estar
equipados con un dispositivo de manómetro diferencial entre la entrada y
salida de gas, que permita controlar la pérdida de carga. El gas penetra en
el filtro entre el cuerpo exterior y el cartucho filtrante, y sale por el centro
del mismo después de filtrado (véase figura 6.3). El elemento filtrante debe
de tener una capacidad mínima de 2 cm2 por cada Nm3 de capacidad horaria
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de la línea. El filtro debe retener, en función de la granulometría de las impurezas:
Polvo
Agua
: 98 % hasta 5 micras,
: 100% hasta 20 micras.
Figura 6.3
Diferentes tipos de filtros utilizados en las instalaciones de gas natural
El calibre del filtro se determina por el tipo de gas, por la presión de servicio
máxima y mínima, por el caudal máximo a filtrar, por la pérdida de carga
admisible y por el tamaño de las partículas de impurezas.
En cuanto a la separacion de líquidos, el sistema mas eficaz resulta el tipo
multitubo horizontal con chicanas, que basicamente es una caja de laberintos
donde la vena fluida es sometida a multiples cambios de direccion,
provocandole una gran turbulencia.
Las gotas de liquido se adhieren a las paredes de las chicanas y son
arrastradas a los bolsillos o pestañas, donde quedan retenidas, cayendo luego
hacia el fondo del recipiente por gravedad.
El drenaje de estos residuos se efectuara hacia pozos absorbentes o pozos de
quemado, pero anteponiendo un tanque de choque para mantener el liquido a
presion atmosferica.
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Es conveniente realizar un estudio previo del terreno, para evitar contaminar las
napas freaticas o ríos subterraneos.
Para el diseño de los separadores, se tendran en cuenta las presiones máx. y
mín. de operación, el caudal máx. horario, la caida de presion admitida y la
cantidad de liquido presente en el fluido.
.
b)
Filtros Magnéticos
Figura 6.4
Filtros Magnéticos
El filtro Magnom que se muestra en las vistas de la Figura 6.4 en la forma que
se instala en planta, consiste básicamente en un magneto que forma el campo
magnético donde quedarán atrapadas las partículas de Oxido de Fierro del
fluido. A ambos costados del magneto se ubican láminas metálicas que
magnifican el campo magnético. Un detalle importante en el diseño consiste en
que las placas metálicas son láminas delgadas mas largas que el cuerpo del
magneto con perforaciones en U que es por donde transcurre el flujo; en esta
forma el efecto de limpieza resulta más efectivo y no representa mayor
impedimento en el paso del fluido involucrando muy poca caía de presión en el
circuito. Cada conjunto de magneto con placas constituye un núcleo, pudiendo
variar la cantidad de núcleos requeridos para cada Unidad de Filtrado. En el
caso del gas natural, tenemos la impresión de resultará relativamente fácil la
separación de las partículas por efecto del campo magnético, pero tendremos
que comprobarlo.
La vista gráfica de la forma en la que trabaja el filtro se muestra en la Figura 2
y puede apreciarse en forma animada en Internet.
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Figura 6.5
Filtración Magnética
6.3.2 SISTEMA INHIBIDOR DE FORMACION DE HIDRATOS
Los hidratos son compuestos de inclusion, formados por moléculas de agua e
hidrocarburos intersticiales. Esto quiere decir que los vacios intermoleculares
del agua presente, son ocupados por moleculas de los hidrocarburos
componentes del gas.
Su forma física, es semejante a una sal orgánica con aspecto similar al hielo.
Se suelen formar en zonas donde aumenta la turbulencia, como ser, válvulas
de bloqueo, válvulas reguladoras, placas orificio, cambios bruscos de direccion
ó diametro etc.
Cuando esto sucede en las valvulas reguladoras, comienzan a producirse
problemas en el funcionamiento de las mismas.
Los sistemas usados para impedir la formacion de hidratos, pueden ser:
Calentadores Indirectos de Gas
Sistema de Inyección de Elementos Inhibidores (Anticongelantes)
a)
Calentadores Indirectos
Las estaciones receptoras deberán ir provistas de un sistema de
calentamiento del gas de forma que éste, después del enfriamiento
producido en el regulador, no tenga a la salida del mismo una temperatura
inferior a + 5 ºC.
Son cuerpos cilindricos, que tienen un liquido intermediario (generalmente
agua), una serpentina sumergida en el fluido, un tubo de fuego, chapas
deflectoras, chimenea y un sistema de quemador.
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Su funcion es la de entregar calor para elevar la temperatura del gas en la
misma proporcion que la que pierde en el salto de presion en alguna valvula,
por ejemplo, de manera tal que su temperatura a la salida de la misma sea
superior a la de formacion de hidratos.
Se debera tener en cuenta que el gas utilizado en el funcionamiento del
calentador deberá ser tomado de una toma instalada "aguas abajo", de la
medicion prevista.
Para el cálculo del calentamiento se considera que para el gas natural,
como hemos dicho, cada reducción de la presión de 1 kg/cm2 provoca un
enfriamiento de 0.5 ºC en el gas.
La precisión en la regulación de la temperatura será tal que la temperatura
del gas no podrá variar en 5 ºC.
Los dispositivos de calentamiento del gas pueden estar constituidos:
Por una resistencia eléctrica en el caso de cámaras de bajo caudal;
Por un intercambiador de calor situado en la línea de regulación y antes del
regulador; está alimentado por agua caliente, procedente de una caldera
independiente o de una fuente de calor existente en la industria.
Las calderas que alimentan los intercambiadores se instalarán o bien al aire
libre o en un local separado de la cámara de regulación y medición.
b)
Sistemas de Inyeccion de elementos inhibidores
Constan de recipientes contenedores del liquido inhibidor, generalmente
metanol, que por gravedad ó medios mecánicos, en el caso de grandes
caudales, se dosifica en la vena gaseosa.
Generalmente se instala un visor a efectos de controlar el pasaje del liquido o
su goteo en caso de bajo caudal.
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6.4
OPERACIÓN DE REGULACION
Los «reductores» de presión son aparatos que reducen la presión de gas Pe
a la entrada del aparato, a una presión Ps, inferior a la salida del mismo. Ello
es debido a la pérdida de carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla
pasar por un orificio de sección S inferior a la del paso de gas a la entrada y
salida del aparato.
El aparato más sencillo está constituido por un orificio, más o menos
descubierto por un obturador (válvula o grifo), maniobrado a mano, para
obtener la presión deseada.
Según el régimen de derrame de un gas a través de un orificio de sección S,
existe una relación entre la presión de entrada Pe, la presión de salida Ps, y
el caudal másico (o caudal Q0 del gas, expresado en las condiciones
normales de temperatura y presión).
Igualmente, cualquiera que sea una de las presiones (entrada o salida) y el
caudal de gas, existe un valor de la sección S que permite fijar la otra presión
(a la entrada o salida al valor deseado) dentro de los límites de funcionamiento
del aparato.
Se ve también que la idea de reductor no puede separarse de la idea de
regulación; en efecto, si el objeto principal del aparato es el de reducir la
presión del gas, la presión de salida del mismo que se desea obtener deberá
mantenerse dentro de ciertos límites, lo que implica un regulador; por el
contrario, si el objeto principal del aparato es el de regular una presión, eso no
puede lograrse más que por una caída de presión a través del aparato, lo que
implica un reductor. Cualquiera que sea el objetivo del aparato, este es un
reductor-regulador comúnmente conocido con el nombre simplificado de
«regulador».
El principio de funcionamiento de un regulador está constituido (Figura 6.7)
por un equipo móvil provisto de un obturador cerrando más o menos el
paso de la sección S; una pared deformable y estanca sobre la cual se
ejerce una fuerza (peso, muelle o piloto); un vástago, deslizante en una
junta estanca J, solidario de la membrana y del obturador y, finalmente, un
tubo de comunicación C entre el espacio debajo de la membrana y la
tubería de entrada o salida del aparato, según se quiera mantener constante
la presión de entrada o la de salida del mismo.
Cualquier variación de presión que se produzca en esos puntos hará subir
o bajar la membrana, que por medio del vástago solidario abre o cierra el
paso S del gas, restableciendo la presión deseada.
Las distintas presiones en el transporte y distribución de gas, así como en
la alimentación de los quemadores de los usuarios, exige la instalación de
reguladores de presión cuya función específica es:
Reducir la presión del gas al límite deseado.
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Mantener prácticamente constante y sin oscilaciones dicha presión
reducida, aunque varíe entre ciertos límites la presión a la entrada del
regulador y se mantenga un campo de caudales dentro de límites definidos.
Figura 6.7
Principio de funcionamiento de un regulador
Las cualidades que debe reunir un regulador son:
Fidelidad: Un regulador es fiel si, colocado en las mismas condiciones de
presión de entrada y caudal, para una regulación determinada, da siempre,
en régimen permanente, la misma presión de salida.
Precisión: La precisión de un regulador está caracterizada por la diferencia
entre los valores máximos y mínimos de la presión de salida para una
regulación determinada del aparato y por todos los valores de la presión de
entrada y de caudal correspondientes a su campo de variación.
Sensibilidad: Como consecuencia de las imperfecciones mecánicas,
cuando el régimen de funcionamiento de un regulador cambia, el obturador
permanece inmóvil durante cierto tiempo. La presión de salida p
correspondiente al caudal inicial Q, variará hasta alcanzar un nuevo valor p’.
El obturador entrará en funcionamiento en ese momento. La sensibilidad del
aparato se caracteriza por la diferencia de valor entre p y p’. El aparato es
tanto más sensible cuanto más próximos sean los valores p y p’.
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Estabilidad: Consideremos un sistema en régimen permanente. A
consecuencia de una perturbación (variación de presión o variación del
caudal, por ejemplo) el regulador reacciona (las partes móviles del reductor
entrarán en acción). Si el sistema es estable, alcanzará un nuevo régimen
permanente después de un corto período de régimen transitorio, en el
transcurso del cual los diferentes valores no presentarán grandes
oscilaciones (ni bombeo ni vibraciones).
Estanquidad al cierre: Normalmente, es necesario que al cierre del
obturador, el caudal sea nulo, con objeto de evitar peligrosas subidas de
presión.
Sobrepresión al cierre: Según la red de tuberías a la que el reductor está
conectado, y según la manera de realizarse la interrupción del caudal, el
reductor puede dar una presión de salida que crece cuando se produce el
cierre. Esta sobrepresión se llama sobrepresión al cierre. Se corrige
mediante una pequeña válvula de seguridad que descarga en la atmósfera
dicha sobrepresión.
Límites de presión y de caudal: Todo regulador-reductor funciona siempre
entre los siguienres límites:
a) De presión de entrada: presión máxima de servicio (inferior a la presión
nominal en general) y presión mínima de funcionamiento.
b) De caudal: desde el cierre hasta la abertura máxima del obturador, el caudal
va aumentando, y su máximo es función de las dimensiones geométricas
del obturador y de las condiciones de presión.
c) De presión de regulación: cada reductor está concebido para proporcionar
una cierta gama de presiones de salida.
Según su manera de funcionar, los reguladores-reductores son de acción
directa (de muelle, de contrapeso, o de campana) o de acción indirecta
(piloto). Los primeros, en caso de falta de presión o rotura de membrana,
quedan abiertos. Los segundos, en el mismo caso, se cierran.
Según su sistema de regulación pueden ser: de acción proporcional, de
acción integral, de acción derivada y de regulación compleja.
En la reducción de presión del gas natural, éste se enfría, puesto que
obedece menos las leyes de los gases perfectos, para los cuales la
reducción sería globalmente isotérmica. Para el gas natural la disminución
de temperatura es del orden de 0,5 0C por cada kg/cm2 o bar de reducción
de presión.
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La variedad de tipos y variantes de reguladores que se encuentra en el
mercado es lo suficientemente amplia para resolver todos los problemas
que puedan plantearse en la industria.
A título ilustrativo, mostramos en las Figuras 6.10 a la 6.14 el esquema de
varios tipos de reguladores, accionados por piloto o por resorte. Los
reguladores de resorte o de contrapeso son de acción directa y se utilizan
cuando la diferencia de presión dP con relación al valor de consigna Pr es
suficiente para accionar mecánicamente, mediante contrapesos, o resorte,
la válvula de regulación.
Estos aparatos, en caso de falta de presión o de rotura de la membrana
quedarán abiertos. Los reguladores accionados por piloto son de acción
indirecta, siendo indispensables cuando la potencia necesaria para
modificar la acción de paso S exige un dispositivo amplificador llamado
piloto (permitiendo además variar a voluntad la presión de consigna)
accionado por la presión de entrada del gas.
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Varios tipos de reguladores llevan incorporado al mismo la válvula de
seguridad de máxima y mínima presión (figuras 6.10 y 6.13).
Los requisitos que debe cumplir un buen regulador son los siguientes:
El cuerpo del regulador debe ser de acero, fundición o aleaciones
especiales, de acuerdo con las presiones nominales de trabajo.
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El cierre de la válvula de regulación debe ser perfectamente estanco a
caudal nulo.
La presión en la regulación será inferior a ± 2 % de la presión de salida
regulada, para una gama de caudales comprendida entre el 3 % y el 100 %
del caudal nominal.
El regulador debe funcionar correctamente entre los límites antedichos sin
producir oscilaciones llamadas de «bombeo» y con toda seguridad en
presencia de gas a —10 ºC, estando la temperatura exterior hasta —20 ºC.
La zona de regulación estará comprendida entre 20 % y 100 % de la
presión máxima regulada.
La unión del regulador con la línea se realizará por medio de bridas con
resalto. Para diámetros iguales o inferiores a 2 pulgadas, la unión podrá ser
roscada, siempre que el acoplamiento al resto de la instalación se efectúe
mediante bridas.
Es recomendable que el caudal nominal del regulador se pueda modificar
mediante un cambio cómodo y conveniente del «obús» de restricción de
paso, mientras el aparato está colocado en la línea.
Para saltos elevados de presión, se recomienda el uso de dos reguladores
en cascada.
La regulación, sobre todo cuando la reducción de presión es elevada,
produce, en algunos casos, un silbido que, según el nivel sonoro, puede
molestar y crear perturbaciones al personal o a los vecinos. La elección del
regulador se hará teniendo en cuenta este inconveniente. Si el nivel sonoro
es elevado, será preciso prever un aislamiento acústico, sea en la cámara
de regulación, sea en los aparatos.
Puede estar compuesto por una ó varias válvulas reductoras-reguladoras,
autoperadas ó con controlador neumático automático.
Las primeras, son válvulas en las que, para mantener la presion regulada, la
misma variable a controlar, acciona su parte motriz. Generalmente, se
establece un equilibrio, a través de un diafragma, entre la presion regulada y
un resorte antagónico ó un piloto.
Para el caso de las válvulas con controlador automático-neumático, el control
de la presión regulada se hace a través de un dispositivo que actua sobre el
actuador de la válvula, posicionando la misma en funcion de los
requerimientos instantaneos.
En todos los casos, al seleccionar una válvula reguladora-reductora, la presion
controlada no debe variar en más del 10 %, salvo para casos excepcionales,
como cuando no existe una válvula que se adecúe a este rango. En este
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caso se podrá admitir hasta una variacion de un 20 % para condiciones de
caudal extremas, ó sea entre el máximo y el mínimo.
Para el dimensionado de los reguladores debera tenerse en cuenta las
presiones: máx., mín.y regulada y los caudales: máx., mín. y normal.
Es condicion necesaria que el regulador-reductor, suministre el caudal máx.
para las condiciones de presión mín. de entrada. Asimismo, se debe asegurar
que cuando la presión de suministro sea la máxima, el regulador no trabaje
por debajo del 20 % de su apertura y que su cierre sea hermético cuando el
consumo sea cero.
Puede darse el caso de que la presion regulada sea mayor que la mínima de
suministro. En este caso, se puede tomar una presion operativa mayor a la
mínima de suministro, debiendose avisar al usuario sobre los inconvenientes
que podrian surgir por este motivo.
Como alternativa, para los casos de necesitarse una presion regulada mayor
que la mínima de suministro, se puede colocar un sistema compresor de gas.
También, para la selección de la válvula, se deberá tener en cuenta la variación
en el consumo a fin de poder adoptar el tipo de cuerpo, obturador y controlador
que cubra las necesidades requeridas.
En aquellos consumidores que, por su forma de operar, resultase impracticable
la interrupción del suministro del fluido, deberá preveerse un ramal de
regulación de reserva. Este sistema, también deberá adoptarse en los
hospitales, asilos, centrales térmicas, escuelas y demás establecimientos de
este tipo.
Para aquellas instalaciones en las cuales el caudal varía notablemente, (rango
de variación elevado), es aconsejable colocar un regulador-reductor para los
periodos en que los caudales resulten mínimos. Esta válvula se montará en
paralelo con el sistema principal, calibrada a una presión de salida superior al
mismo.
Para el caso de aquellas instalaciones en las que por razones de seguridad, no
se permiten válvulas de seguridad por alivio y que por el tipo de proceso no
admitan válvulas de corte por sobrepresión, se pondrá un sistema del tipo
monitor, con el cual se minimizan las posibilidades de corte ó venteo de gas a
la atmósfera.
En todos los casos, las válvulas reguladoras deberán ser instaladas entre
válvulas de bloqueo, y para aquellas con extremos roscados, se preverán
bridas que posibiliten su remoción.
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6.5 SISTEMAS DE MEDICIÓN DE FLUJOS
La medición del flujo de gas natural en la ERMP sirve para efectos de medición
fiscal y transferencia de custodia, por lo cual los contadores que serán
admitidos deberán estar homologados y verificados por las autoridades
correspondientes, y serán autorizados de acuerdo con las normas que
establezca la Empresa suministradora de gas, pero también resulta de la mayor
importancia para desarrollar una efectiva gestión energética en plantas
industriales.
Para definir las características del sistema de medición debe tomarse en
cuenta que el transporte y distribución de gas se contabiliza en volumen, pero
en el uso industrial lo que cuenta son las unidades energéticas; por esta razón,
se conforman sistemas de medición de energía total, como el que se muestra
en la Figura 6.15.
Figura 6.15
SISTEMA
SISTEMA DE
DE MEDICION
MEDICION DE
DE ENERGIA
ENERGIA TOTAL
TOTAL
Computador
de flujo
BTU, kcal
Cromatógrafo
Temperatura
Presión
Señal
Muestra
El medidor utilizado registra una lectura que es procesada en una Unidad
Correctora que recibe señales de temperatura, presión y análisis
cromatográfico del gas natural para entregar un valor en unidades
energéticas por unidad de tiempo. Tomando como referencia el Poder
Calorífico Superior oficialmente registrado y contrastado con la mediciones
del distribuidor en el City Gate, la facturación se efectuará en unidades
volumétricas estándar ( 60°F y 1 atm) o normales (o°C y 1 atm).
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Los medidores de flujo que registran directamente el volumen de gas son
del tipo diafragma o rotativos, siendo utilizados principalmente para los
sectores de bajos niveles de consumo.
Resulta de la mayor importancia para establecer el sistema adecuado de
medición, la cantidad de flujo y su velocidad, lo que establece una
condición de flujo laminar o turbulento, en función del cálculo del número
de Reynolds. En la Figura 6.16 se muestra el efecto tridimensional del flujo
laminar y turbulento en un conductor circular.
Figura 6.16
Para el consumo industrial podemos considerar la siguiente clasificación
de medidores de flujo de gas natural:
Medidores Diferenciales:
etc.
Orificio, Venturi, Pitot, Annubar, Tobera,
Medidores en Línea: Turbina, Vórtice, Másicos de Coriolis y
Ultrasónicos.
Analicemos los más utilizados y sus características:
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6.5.1 Medidores diferenciales
Estos medidores basan su funcionamiento en la determinación del
cambio de presión y por lo tanto de velocidad, que se produce en un
fluido al circular por conductos de diámetros diferentes y se
fundamentan en la Ecuación de Energía de Bernoulli.
Los medidores más utilizados de este tipo son los siguientes:
a) Placa Orificio
Se basan en la determinación del volumen de gas transportado en el
tiempo, midiendo la caída de presión y temperatura que se originan en el
conducto, al interponerse en el pasaje del gas una placa con un orificio
calibrado, que mediante un instrumento registra el diferencial de presión
antes y después del orificio.
Un equipo integrador conjuga los valores de presión regulada, presión
diferencial y temperatura, y permite inferir los valores del gas consumido,
por lo que a este sistema se lo conoce como Medidor Inferencial
Para usarse la placas de medición, se deben respetar ciertas longitudes, de
la tubería, aguas arriba y aguas abajo de la placa, las cuales dependen del
diámetro de la tubería, para evitar las turbulencias.
El conjunto forma un Puente de Medición, como se muestra en la figura:
Las dimensiones del Puente de Medición pueden reducirse sensiblemente
mediante el montaje de un enderezador de vena que consiste en una
serie tubos mandrilados instalados aguas arriba del punto de medición,
cuya función es evitar la turbulencia (Figura 6.17).
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Figura 6.17
VENTAJAS
• Normas y estándares bien documentados
• Amplio uso y gran aceptación a nivel industrial
• Bajo costo en la inversión y su instalación
• No posee partes móviles en la línea de flujo
• No tiene limitaciones en cuanto a temperatura y presión
• Sistema de lectura electrónicos disponibles para el cálculo de flujo
DESVENTAJAS
• Bajo rango de operación para un determinado diámetro de orificio
• Relativas altas caídas de presión para un flujo determinado
particularmente a bajos β
• Muy sensible a perfiles no uniformes de velocidad
b) Tipo Venturi
Menor diferencial de presión
Fluidos con sólidos
Para Re>105 coeficiente de descarga exactos
VENTAJAS
 Baja caída de presión comparado con los restantes medidores
diferenciales
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 Excelente uso para fluidos con sólidos
DESVENTAJAS
 Rango de operación limitado, solo utilizado en aquellos sistemas
donde el rango de flujo es bien conocido
 Costos altos
 Rango de exactitud: 1%
 Unidades grandes y de gran peso lo que dificulta su manejo e
instalación
b) Tubo Pitot
Fluidos Limpios
Inversión Baja
Diferencia entre presión total y presión estática
c) Sonda Annubar
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6.5.2
Medidor tipo Turbina
Los contadores de velocidad o de turbina están constituidos por un tramo
recto de tubería, en cuyo interior está colocada una hélice o turbina,
teóricamente sin frotamientos, apoyada en cojinetes y manteniendo su eje
en el centro de la tubería.
La velocidad de rotación de la hélice debida al paso del gas es proporcional
a la velocidad de circulación del mismo y, por tanto (como la sección es
constante), al volumen de gas que circula.
La hélice está protegida por un cuerpo central que solamente permite el
paso del gas a través de un reducido espacio anular frente a las paletas de
la turbina; ello tiene por objeto aumentar la velocidad de paso del gas en la
hélice y ejercer sobre la misma esfuerzos apreciables.
Los contadores de turbina, llamados también contómetros, pueden estar
dispuestos formando un codo en lugar de un tramo recto (fig. 6.18), con el
rodete colocado en un eje vertical. Estos contadores ocupan menos
espacio que los anteriores.
El caudal mínimo y el máximo están en la relación de 1 hasta 12 para esa serie
de contadores.
Debe evitarse que el gas que atraviesa el contador arrastre partículas o
polvo capaz de provocar erosiones sobre las paletas de la hélice, lo que
modificaría la medición.
Figura 6.18
Cuantómetro de turbina G.W.F.
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El contaje del número de vueltas de la hélice se realiza por dispositivos de
célula fotoeléctrica para los contadores pequeños o directamente por
cuenta revoluciones mecánico para los - contadores importantes.
Los contadores de turbina tienen una curva de error variable de un tipo a
otro, pero de suficiente precisión entre límites comprendidos entre 1 y 10.
La curva de errores varía ron el desgaste de los órganos en movimiento. Si
la hélice se bloquea, el gas no se contabiliza, pero puede atravesar el
contador sin que la pérdida de carga suplementaria delate la anomalía.
Así como los contadores volumétricos y de turbina se fundamentan en la
medición directa del volumen que ha circulado por los mismos en las
condiciones de presión y temperatura registradas (y que, posteriormente,
debe ser corregido para llevarlo a las condiciones de presión y temperatura
de referencia normalizadas), el contador deprimógeno registra en un gráfico
el caudal instantáneo que atraviesa el diafragma, caudal que posteriormente
debe ser integrado para traducirse en volumen total, en las condiciones de
presión y temperatura existentes a la entrada del medidor, que asimismo
debe corregirse para llevarlo a las condiciones de referencia normalizadas.
Salvo indicación en contra, los contadores volumétricos se recomiendan
para instalaciones de bajo caudal que no superen los 150 m3/h, medidos a
la temperatura y presión de trabajo. No obstante, se fabrican contadores
volumétricos de gran capacidad (hasta 30 000 m3/h e incluso superiores).
En las instalaciones de caudal medio, comprendidas entre 150 y 2 000 m3/h
(medidas igualmente en sus condiciones de trabajo), pueden usarse
indistintamente contadores volumétricos de turbina o diferenciales.
Para instalaciones de caudal alto, superiores a 2 000 m3/h, se aconseja
utilizar un medidor diferencial (debido principalmente al elevado coste de
los contadores volumétricos).
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VENTAJAS
 Buena exactitud dentro del rango de operación del medidor
 Equipos electrónicos disponibles para lectores de flujo en corto tiempo y
alta resolución
 Costos medios de inversión comparados con otros tipos de medidores
 Excelente rango de operación a altas presiones
DESVENTAJAS
 Revisión periódica de todos sus componentes para garantizar una buena
exactitud
 Rango de operación a bajas presiones se asimila a otros medidores
 Requiere perfil de velocidad uniforme
6.5.3 Medidores tipo Vórtice (VORTEX)
Inestabilidad de un flujo cuando se somete a obstáculos: creación de vórtices
A una distancia conocida y volumen constante entre vórtices se determinan los
vórtices formados
Factor del medidor es igual para gases y líquidos
Alta exactitud y precisión. No admite pulsaciones de flujo
VENTAJAS
 Rango amplio de operación con señal de salida lineal
 Para fluidos limpios su desempeño es estable
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 La señal de salida puede ser leída por instrumentos electrónicos
 Instalación simple, costos moderados de inversión
 Efectos de viscosidad, presión y temperatura son mínimos
 No posee partes móviles en contacto con el fluido
DESVENTAJAS
 Perfil de flujo uniforme, libre de remolinos y chorros
 No disponible en tamaños mayores a 8‖
 Rango de numero de Reynolds bajo
6.5.4 Medidor de Flujo Másico
Deformación de la vibración de un tubo por oscilación debida al flujo másico del
fluido a medir (Efecto Coriolis)
En la medición no influyen la temperatura, presión y densidad
Son utilizados en sistemas de alta presión
Tienen la importante ventaja de medir directamente la masa del gas natural que
se está recibiendo en la central, que es lo que cuenta. Al disponer también de
un sensor de densidad, simultáneamente proporciona el flujo volumétrico, el
cual se corrige con presión y temperatura.
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Montaje en línea de los medidores de flujo másico
6.5.5 Medidores Ultrasónicos
Emisión y recibo de pulsos de sonido a través del fluido
La diferencia de tiempo entre la emisión y el recibo de la onda sónica es
dependiente de la velocidad de flujo
A mayor numero de canales mayor es la exactitud de la medición
Su uso se da en tuberías mayores de 4”.
VENTAJAS
• No causan caídas de presión
• Pulsos de alta frecuencia minimizan los errores por pulsación y
fluctuación de flujo
• Instalación sencilla y poco costosa
• Alto rango de operación
• No posee partes móviles en contacto con el fluido a medir
• Calibración mecánica simple mediante chequeo en software de prueba
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DESVENTAJAS
• Requieren potencia para su operación
• Perfil de flujo totalmente desarrollado en caso de medidores de un solo
paso
• Costos de inversión altos
FACTORES PARA SELECCIÓN DE MEDIDORES
Tipo de
medidor
Rango Exac. Amplitud Material
Tipo
Caída
Max.
Rango Construcción Escala Presión
Flujo
Diafragma 0.05 a ±1
200:1
Al, Cl, Plastico Uniforme 0.08
0.5..1
ZN
Rotatorio
0 a 1.5 ±1
25:1
Al/300S
Uniforme 0.04
Acero Bronce
Turbina
1 a 300 ±1
10:1 a
25:1
Al/Du/Cs/Delm Uniforme 0.04
Orificio
0.2 a
500
±1½
3:1
FS/SS/CS
Raíz
2.50
Cuadrada
Coriolis
0..50
0.3
20:1
SS/TI/XX
Ultrasonico 0..2.1M 0.5
50:1
FS/SS/
Masa /
5
Uniforme
Uniforme 0.5
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CAPITULO
7
Circuito Interno de Gas
7.1 Red interior de tuberías
El Gas Natural limpio y seco, a la presión suficiente y adecuada para
atender convenientemente todos los requerimientos de consumo en planta,
se distribuye por el sistema de distribución interno a las Estaciones
Secundarias y trenes de válvulas de los puntos de consumo directo, donde
se acondicionan para las condiciones exigidas por los sistemas de
combustión en cada punto de consumo.
Esta podrá ser más o menos extensa según existan muchos o pocos
puntos de consumo, y las distancias de los mismos a la estación receptora
sean más o menos grandes.
Si las distancias y los caudales no son importantes y los puntos de
consumo pocos y próximos, se podrá establecer una red con tubos de
diámetro apropiado para tener una pérdida de carga pequeña. En este caso,
la presión de distribución puede ser la necesaria para los quemadores, y el
gas puede tomarse de la estación receptora a dicha presión incrementada
con las pérdidas de carga.
Si las distancias y caudales son importantes y los puntos de consumo
están espaciados, convendrá, en aras a la economía del coste de la red de
distribución, tomar el gas de la estación receptora a presión de 2 a 5 kg/cm2,
y admitir una fuerte pérdida de carga en el cálculo de las tuberías. En este
caso, la presión será muy variable en los distintos puntos de la red, en
función de la distancia a la estación receptora y de las variaciones de
consumo de los aparatos de utilización. Como éstos necesitan para su buen
funcionamiento una presión lo más constante posible, obligarán a colocar
lo más próximo a ellos o al conjunto de aparatos dentro de la misma nave,
un grupo de regulación de presión que, alimentado por la variable y alta
presión de la red, alimente los quemadores a presión constante y
apropiada.
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7.1.1. Determinación del trazado
Debe empezarse por establecer, en cada industria, un plano o esquema del
trazado interior que se considere ideal, en el que figuran las indicaciones
siguientes:
Tipo de gas y presión disponible a la entrada de la instalación;
Situación de la estación receptora;
Situación de los diferentes aparatos de utilización, con indicación de su
potencia nominal (o consumo) y la presión de gas necesaria;
Implantación de locales, situación de pipe tracks, alturas libres de paso y
todas las indicaciones análogas cuando éstas puedan exigir sujeciones
particulares en lo que se refiere al recorrido de la canalización.
Puntos del recorrido de donde derivarán eventuales extensiones.
Sobre el plano así preparado, se puede proceder al trazado de la red interior,
destacando:
Disposición de las canalizaciones (enterradas, elevadas, en galería, en
conductos, empotradas);
Posición de los accesorios de la canalización que es necesario prever,
como: órganos de cierre y accesorios del trazado: curvas, reducciones, etc.;
Reguladores de presión de quemadores;
Aparatos de medición o de control de caudales y presiones;
Válvulas, filtros, potes de purgas, etc.
El caudal de gas a transportar en cada tramo de la instalación es la suma de
los caudales máximos absorbidos por los aparatos de utilización situados
más abajo.
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Los cálculos se hacen en metros cúbicos normales (0º y 760 mm),
determinados según el caudal térmico de los aparatos (kcal/h) y el poder
calorífico inferior del gas (kcal/Nm3).
En el cálculo de los caudales se tendrá en cuenta:
Los máximos de consumo;
Eventualmente, los coeficientes que resulten de la no simultaneidad de
utilización de los distintos aparatos;
Las previsiones de futuras ampliaciones de consumo que se deriven de la
extensión de la red o de un aumento de caudal en los tramos existentes. El
caudal máximo horario contratado por el usuario se incrementará en un 20
% para determinar el diámetro mínimo de la acometida y del tramo de
tubería inmediato a la Estación receptora;
La presión del gas en el extremo de la red, antes de los reguladores de los
aparatos de utilización.
La presión de gas en la red se expresa en valor efectivo en bar, milibar o
kg/cm2 y milímetros de columna de agua. Se tienen que considerar:
Presión de servicio. Es la presión que reina en la parte de red considerada.
Puede variar de valor en diferentes puntos de la red, si ésta se halla
provista de reguladores alimentando distintos tramos. En caso contrario,
tiene por valor la presión de salida de la Estación receptora;
Presión máxima. Es la presión susceptible de alcanzarse en la canalización.
Su valor es el de funcionamiento del último órgano de seguridad (válvula,
membrana rompible, etc.) colocado más arriba y que fija el límite posible en
la canalización en caso de mal funcionamiento del regulador de presión de
la Estación receptora;
Presión de prueba. Es igual a una vez y media la presión máxima de
servicio. Estando construida la canalización para una presión nominal igual,
como mínimo, a la presión máxima de servicio, la presión de prueba puede
considerarse como igual a una vez y media la presión nominal.
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7.1.2. Condiciones relativas a ciertos recorridos
La red interna de tuberías de distribución de gas natural se colocará
preferentemente, y siempre que no presente grandes dificultades, del tipo
aéreo. Es decir, se colocará en elevación, exteriormente o interiormente a
los edificios y naves industriales, apoyada en soportes fijados a las
paredes, a las armaduras, a las cubiertas, a los pies derechos de los locales
o a los pies derechos particulares a la tubería. Siempre que exista un pipe
track para soporte de tuberías de agua, vapor, combustible, aire
comprimido, etc., se colocarán junto a ellas. Las distancias entre soportes
no serán superiores a las indicadas a continuación:
Diámetro tubería
pulgadas
Distancia entre los
soportes en metros
0,5 1,8
0,75 - 1
1,1/4 - 2,1/2
3-4
5-8
más de 8
1,25 o mayor (vertical)
2,4
3,0
4,5
6,1
7,6
1 soporte por piso
Las tuberías de gas no deben ser sostenidas por otras tuberías, sino que
deben estar instaladas con soportes que tengan la suficiente resistencia.
No obstante, cuando el caso lo requiera, se podrán colocar enterradas en
conductos o en galerías. En este caso, deberán tomarse las precauciones
siguientes:
a) Canalizaciones enterradas
El recorrido de las tuberías enterradas debe escogerse, en lo posible, alejado
de:
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Vías férreas y rutas de paso de camiones (riesgo de vibraciones y
apisonamiento);
Plantaciones de árboles (empujes en el suelo por desarrollo de las raíces);
Instalaciones eléctricas productoras de corrientes vagabundas, sobre todo
corrientes continuas (vías férreas electrificadas).
Debe evitarse: cruzar alcantarillas, recorrer por locales de servicio o bajo
locales insuficientemente ventilados a causa del riesgo de acumulaciones
de gas en caso de una eventual fuga.
Es factible el cruce de alcantarillas o cavidades no ventiladas de cualquier
naturaleza, haciendo pasar el tubo por el interior de otro con forro continuo
perfectamente estanco en el cruce y desbordando las dos extremidades en
el exterior.
Está prohibido colocar, aun en recorrido transversal, canalizaciones de gas en:
Conductos y galerías de humos.
Cajas y conductos de ventilación, salvo cuando ha sido especialmente
concebido para ese uso;
Cajas y cuartos de maquinaria de ascensores y montacargas;
Salas de transformadores, cuadros y material eléctrico;
Cubas sanitarias inaccesibles;
Cubas y depósitos de almacenamiento de combustibles sólidos y líquidos;
Tubos de caída de correo o de basuras, así como los recipientes que los
contengan.
Espacios vacíos entre paredes.
Las tuberías que estén en contacto con tierra u otros materiales corrosivos
deben estar protegidas contra la corrosión.
b) Canalizaciones en cajas y galerías técnicas
Debe evitarse el paso de las tuberías de gas por cajetines y galerías por
donde pasen otras canalizaciones y cables eléctricos.
Podrán cruzarse dichas cajas y galerías por tuberías de gas, cuando éstas
pasen por el interior de otro tubo de acero estanco y con ventilación al
exterior.
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Cuando sea absolutamente necesario que las tuberías de gas pasen por
cajas o galerías por las que no pasen otras tuberías de combustibles o
cables eléctricos, dichas galerías deberán estar perfectamente ventiladas.
c) Canalizaciones en cajetines
Las canalizaciones de gas en cajetines tienen la ventaja, en los locales
industriales, de permitir una cómoda alimentación de los aparatos
utilizando gas, en posición central.
Si el cajetín está lleno de arena, la protección de la canalización debe ser
análoga a la de las canalizaciones enterradas.
d) Canalizaciones empotradas
Las canalizaciones empotradas son aquellas cuyo recorrido está situado en
el interior de muros, cerramientos o suelos. No debe confundirse con
atravesar la pared, que es un paso perpendicular a la pared.
El empotramiento de las tuberías de gas es desaconsejable en las
instalaciones industriales.
e) Canalizaciones de descarga eventuales
Las canalizaciones de descarga eventuales a la atmósfera (válvulas de
seguridad, descarga de reguladores, etc.) deben cumplir las condiciones
siguientes:
Evitar la creación de una pérdida de carga sensible en la canalización
(diámetro suficiente y longitud corta);
Hacer descargar el tubo eventual al exterior, con objeto de evitar la polución
y los riesgos de incendio, en lugar situado como mínimo a 2,50 m del suelo
y, también como mínimo, a 0,6 m de una abertura de las paredes, ventanas
u orificios de ventilación.
f) Situación de la válvula de aislamiento
Debe preverse en el trazado de la red, a la entrada de cada canalización
principal, una válvula de mando manual estanca en posición cerrada y, si es
posible, de cierre rápido (90 0C) colocada en lugar fácilmente accesible, que
permita el cierre completo del suministro de gas a la parte posterior.
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7.2.
Características de las tuberías
Las tuberías utilizadas para circuitos de distribución interna
en plantas industriales pueden ser construidas con hierro
fundido, acero, cobre ó plástico.
7.2.1 La tubería de hierro fundido, cuya cualidad mas notable es la resistencia
a la corrosión, solamente es aconsejable para bajas presiones, como es
el caso de las internas domiciliarias
7.2.2 La tuberia de acero es en la actualidad el material casi universalmente
adoptado para las redes de media y alta presión.
La soldadura puede ser longitudinal o helicoidal y se realizará siempre a
máquina. Los procedimientos de soldadura admitidos son los siguientes:
Soldadura eléctrica al arco;
Soldadura eléctrica, por resistencia;
Soldadura automática al arco en atmósfera inerte (usando, por lo menos,
dos pasadas de soldadura, una de las cuales se aplicará por la parte interior
del tubo).
Las características generales de los tubos, así como las de los elementos y
piezas especiales que se utilicen en la instalación, deben responder a las
especificaciones de la norma del «American Petroleum Institute 5L grado
B» UNE (API) o DIN aceptadas por los Organismos Reguladores de cada
país.
La presión nominal del tubo no será inferior a la máxima de servicio.
Los contenidos máximos en componentes del acero utilizado en la
fabricación de los tubos, deben ser:
(tubo sin soldadura)
< 0,31 %
Carbono
(tubo con soldadura)
< 0,29 %
Fósforo
<0,04 %
Azufre
<0,05 %
Azufre ± Fósforo
<0,08 %
Manganeso
<1,30%
El acero empleado en los tubos tendrá una relación entre el límite elástico y la
carga de rotura no superior a 0,80 y un alargamiento sobre 5 diámetros en
probeta de espesor igual al del tubo no debe ser inferior a 17% para espesores
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hasta 4 mm; 20% para espesores de 5 mm a 7 mm y 22% para espesores
superiores a 7 mm.
7.2.3 La tuberia de cobre esta restringida al uso en lineas de control, lineas de
pilotos, conexion de artefactos etc.
Tambien puede ser usada en instalaciones internas de baja presion y
media presion. No se usarán tubos de cobre donde la presión exceda los
7 Kg/cm2 .
El espesor mínimo de la pared será de 1,0 mm para la union por
compresión y de 0.7 mm para la union por soldadura., para tuberias de
baja y media. Para alta presión, el espesor mínimo será de 1.6 mm
No se usarán tubos de cobre para lineas de impulso de las válvulas de
control, salvo que estos formen parte integrante de las mismas.
Cuando la tuberia atraviese muros de mamposteria deberá hacerlo
embutida en un manguito ó en caso contrario adecuadamente protegida
contra la corrosion.
7.2.4 En cuanto a los tubos plásticos, cabe destacar que por su poco peso y
correspondiente facilidad de transporte y colocación, y por no estar
expuestos a la corrosión, compiten en la actualidad con los tubos de
acero, aunque por otra parte presentan la desventaja de ser dañables
por agentes mecánicos, admitir menores presiones y accesorios que
limitan aun más aquellas presiones.
Su uso está limitado tuberias enterradas, admitiendose hasta una
presion máxima de 3.95 [barM] (4 Kg/cm2)
Los plásticos actualmente utilizados son:
P.V.C.(Cloruro de polivinilo)
A.B.S.(Acrilinitrilo-butadieno-estireno)
C.A.B.(Celulosa-acetato-butirato)
P.E.(Polietileno de alto peso molecular)
En menores proporciones: Polipropileno, Poliacetato y fibra de vidrio
con resinas epóxi.
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7.3
Determinación del diámetro de las tuberías
Para calcular los diámetros de una red interior de tuberías, resulta práctico
descomponerla en un conjunto de «tramos», unidos por «empalmes» o
«derivaciones» alimentando los «puntos de utilización».
Los «puntos de utilización» están situados a la entrada de los aparatos de
utilización, inmediatamente detrás de los dispositivos eventuales de
regulación (reguladores-reductores).
Un «empalme» o «derivación» es el punto en el cual el caudal principal de
gas se divide en dos o varios caudales secundarios.
Se entiende por «tramo» la longitud continua de tubería, llevando o no
accesorios de canalización, recorrida en cada instante, en cualquiera de sus
secciones, por el mismo caudal másico de gas.
El diámetro de un tramo es constante en toda su longitud; los accesorios de
canalización tienen el calibre correspondiente.
Un tramo conecta:
La canalización de la red de distribución desde la estación receptora hasta
el primer «empalme»;
Dos empalmes consecutivos;
Un empalme hasta su punto de utilización.
Calcular una canalización consiste en determinar el diámetro de cada uno
de los tramos, para que, con los caudales previstos:
1) La presión de gas en cada punto de utilización sea siempre superior o
igual a la presión mínima necesaria para el buen funcionamiento del
aparato;
2) La velocidad real de circulación, en cualquier punto de la conducción,
no exceda de un valor crítico (30 m/s), generador de ruido y vibraciones,
teniendo en cuenta el caudal real a la presión de circulación.
Estas dos condiciones son complementarias: la primera, se refiere a la pérdida
de carga de la tubería; la segunda, a la velocidad de circulación del gas.
En la práctica se observa que:
En las instalaciones en las que la presión a la entrada es poco elevada o
próxima a la presión de los puntos de utilización, se calculará el diámetro de
los tramos por la pérdida de carga admisible, que resultaría baja. Los
diámetros resultantes conducen, generalmente, a velocidades de circulación
inferior al límite recomendado;
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En las instalaciones de gas natural a alta presión ramificadas, llamadas en
«espina de pescado» y provistas de reductores de presión al final de la
canalización principal, la pérdida de carga puede ser relativamente
importante. En este caso, resultan diámetros de tuberías reducidos, siendo
preciso entonces comprobar el valor de la velocidad de circulación.
Por razones de economía, conviene no sobredimensionar la instalación.
Esta última condición es menos imperativa que las dos precedentes. No
obstante, siempre que se presente una incertidumbre sobre el valor
numérico de un parámetro, se escogerá aquel que dé un aumento del
diámetro. Igualmente, los diámetros calculados se redondearán a los
diámetros normalizados inmediatamente superiores. Las pérdidas de carga
admisible para el cálculo del diámetro de tuberías serán las indicadas a
continuación:
Para acometida interior
(Desde válvula de la acometida hasta entrada del regulador)
Distribución categoría MPA
 2,5 % de la presión mínima
de suministro. Como ésta no
puede ser inferior a 500 mm
e. a., la pérdida de carga no
será superior a 12,5 mm.
Distribución categoría MPB
 2,5 % de la presión mínima
de suministro. Como ésta no
será inferior a 0,4 kg/cm2, la
pérdida de carga no será superior
a 100 mm c. a.
Distribución categoría API y
Distribución categoría APII
 2,5 % de la presión efectiva mínima.
Para red de distribución interior
(Desde válvula salida de la estación receptora hasta puntos de
utilización)
Distribución categoría MPA
Distribución categoría MPB
 15 mm c. a.
 10 % presión salida regulador.
Distribución categoría I
(presión salida regulador < 50 mbar)
 15 mm c.a.
Distribución categoría II
Presión salida regulador = 1 a
4 bar kg/cm2)
 10 % presión salida regulador
En todos los casos, la velocidad de circulación del gas por las tuberías será
inferior a 30 m/s.
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En una tubería de diámetro determinado, circulando un caudal de gas
correspondiente a una velocidad pequeña, el derrame se hace por filetes
paralelos: es el régimen laminar o de Poiselle.
Para un caudal correspondiente a una velocidad elevada, se forman remolinos
en el gas: es el régimen turbulento o de Venturi.
Existe finalmente una zona intermedia donde las leyes del derrame están
bastante mal definidas: es el régimen turbado o de Reynolds.
En todos los puntos de la instalación, la velocidad de circulacion del gas deberá
ser siempre inferior a 40 m/s, para evitar niveles de ruido excesivos y erosión
en las tuberías. Para el predimensionado de la red, se adopta una velocidad de
30 [m/s], lo que permite cierto margen de seguridad para calcular el díametro,
con la presion absoluta de trabajo y el caudal circulante.
Para el cálculo de las tuberías se admitirá cualquier formula, cuyos datos
obtenidos respondan por lo menos a las exigencias de las siguientes:
a) Para Baja Presión
Formula del Dr. POOLE
D2 . h
Q=
2.s.l
donde:
Q = Caudal en [m3N/h]
D = Díametro en [cm]
h = Pérdida de carga en mm de columna de H2O
s = Densidad del gas
l = Longitud de la tubería en [m], incrementada con la longitud
equivalente de los
accesorios que la componen.
b) Para Media y Alta Presión
Formula simplificada de RENOUARD
PA2 - PB2 = 48.600 s L Q 1.82
válida para Q / D
150
D 4.82
donde:
PA y PB = Presiones absolutas en ambos extremos del tramo, en
[Kg/cm2 A]
s = Densidad del gas
L = Longitud del tramo en [Km], incrementada con la longitud
equivalente de los accesorios que la componen.
Q = Caudal en [m3 N/h]
D = Díametro en [mm]
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Para el cálculo de la velocidad de circulación del fluido se utiliza la siguiente
fórmula:
365.35 Q
V =
D2 . P
donde:
Q = Caudal en [m3 N/ h]
P = Presión de cálculo en [Kg/cm2 A]
D = Díametro interior del tubo en [mm]
7.3 ESTACIONES DE REGULACION SECUNDARIA ( E.R.S.)
Cuando la presión de utilización de los artefactos difiere de la presión de
distribución regulada, es necesario instalar una Estación de Regulación
Secundaria.
Estas plantas llamadas tambien "Sub estaciones", constan de un conjunto de
aparatos y elementos instalados con el proposito de reducir y regular
automáticamente la presión del fluido, aguas abajo de la E:R:M:P, debiendo
ubicarse en lugares accesibles y debidamente protegidas.
En los casos de dificil acceso, se instalará en lugar conveniente una válvula de
cierre rápido y accionamiento manual que bloquee totalmente la Sub estación.
En todos los casos contarán con los siguientes elementos, aptos para soportar
la presion con la que fué diseñada la E.R.M.P. (presión de venteo máxima) :
Válvula de bloqueo de cierre rápido y accionamiento manual
Reguladores-reductores de presión, con los venteos al exterior.
Manómetros, con sus correspondientes válvulas de venteo, para puesta en
marcha y purga cuando por la distancia a la E:R:M:P:, sea necesario.
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Los reguladores-reductores deberán ser instalados entre elementos que
permitan su remoción.
No se admitiran by-pass de regulacion manual dichas sub estaciones.
Los venteos de los reguladores deberán elevarse a los cuatro vientos, en una
zona segura.
Cuando las instalaciones ubicadas aguas abajo de las sub estaciones no
soporten la presión maxima de alimentación a éstas, se deberan instalar
válvulas de seguridad de corte ó de alivio por sobrepresión. Se podran instalar
válvulas reguladoras de presión, con sistema de seguridad incorporado.
Las presiones de venteo de la válvulas de seguridad se determinaran de
manera similar a las de la E:R:M.P.
7.5
Comprobación, ensayos, puesta en servicio y paro de la explotación
Una vez terminado el montaje de las instalaciones de gas y red interna de
tuberías, y antes de su conexión con la acometida de suministro de la
Empresa distribuidora, se realizan una serie de ensayos, que
corrientemente son los siguientes:
Ensayo de resistencia mecánica (prueba hidráulica) del conjunto de tuberías
y accesorios instalados (siempre que lo exijan las reglamentaciones
oficiales o de la Empresa distribuidora).
Ensayos de estanquidad, que deben efectuarse siempre antes de la primera
puesta en servicio o después de cualquier modificación de la instalación.
Control radiográfico de las soldaduras.
Ensayo de funcionamiento que tiene por objeto comprobar, con los aparatos
de utilización en servicio, que la instalación, los aparatos de regulación,
medida y control, así como la red de distribución interna, responden a las
exigencias de explotación previstas.
7.5.1
Ensayo de resistencia mecánica
Este ensayo consiste en someter al conjunto de tuberías y accesorios de
canalización y valvulería a una presión hidráulica de prueba, a excepción de
los aparatos reductores de presión, control y accesorios diversos
garantizados por el constructor y aislados por una junta ciega.
El agua utilizada debe estar exenta de sedimentos en suspensión. A
continuación de la prueba, la canalización debe purgarse y secarse
cuidadosamente.
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La presión de prueba será 1.5 veces la presión máxima susceptible de
alcanzarse, con un margen de  10 %.
La presión se controla por un manómetro, cuya precisión permita evaluar el
valor absoluto del margen citado.
La presión debe mantenerse sin variación durante el tiempo necesario a la
inspección de la instalación. Durante las pruebas, las canalizaciones deben
ser visitables en toda su extensión. Los elementos enterrados, empotrados
o colocados dentro de forros protectores deben haberse probado
previamente.
7.5.2.
Ensayo de estanquidad
Este ensayo se realiza sobre el conjunto de canalizaciones y accesorios
sometidos al mismo tipo de presión. Durante los ensayos, toda la
canalización debe ser visitable.
En general, el ensayo de estanquidad se efectúa con aire, con gas inerte o
con el gas distribuido, y consiste en llevar el fluido a la presión de ensayo y
comprobar la ausencia de fugas.
Las presiones y tiempos de ensayo serán las siguientes:
Presión de Trabajo
Presión de Ensayo
0 a 350 mm c.d.a.
350 a 3500 mm c.d.a.
3500 mm a 2,3 kg/cm2
superior a 2,3 kg/cm2
0,21 kg/cm2
1
kg/cm2
3,5 kg/cm2
Presión de trabajo x 1,5
Tiempo
10 minutos
24 horas
24 horas
24 horas
La presión deberá permanecer constante durante el tiempo de prueba,
considerando las variaciones de temperatura antes y al final del ensayo.
La presión se medirá:
En baja presión, por un manómetro de columna de líquido.
En media y alta presión, por un manómetro de columna de mercurio o por
un manómetro metálico cuya sensibilidad sea, como mínimo, igual al 5 % de
la presión de ensayo.
Cuando se haya obtenido la estabilización de la presión en la canalización
ensayada, se comprueba que la misma quede completamente aislada, por
medio de válvulas o de bridas, del resto de la instalación.
No se procederá nunca a la localización de fugas de gas combustible
mediante el empleo de una llama, cerilla, etc. Dicha localización se efectuará
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con un pincel mojado en agua jabonosa o en producto espumante, aplicado
en todas las juntas, racores, soldaduras, estopadas, etc.
7.5.3.
Control radiográfico de las soldaduras
El control radiográfico se efectuará en todas las uniones que se hagan con
soldadura, al 100 % para las canalizaciones que puedan ser sometidas a
una presión igual o superior a 32 kg/cm2. Para La canalización sometida a
una presión inferior a 32 kg/cm2, las radiografías se harán al 30 % de las
soldaduras. En este caso, el ensayo se efectuará por muestreo, siguiendo el
criterio de selección que establezca en cada caso la Empresa distribuidora.
7.5.4.
Ensayo de funcionamiento
Después de que se hayan realizado los ensayos de presión y estanquidad,
deberá purgarse con gas la red, con el fin de expulsar el aire o los gases
inertes de la prueba, de forma que quede en disposición de su puesta en
servicio, sin peligro de mezclas explosivas.
Para ello, se conectarán los extremos de la red con una manguera o tubería
eventual, cuyo extremo de salida de purga estará al aire libre, y como
mínimo a 3 m de cualquier edificio o toma de aire. También podrá purgarse
mediante una antorcha o quemador de purga precedido de un cierre
hidráulico anti-retorno de llama. Para conocer si la tubería está bien
purgada se tomaran muestras con globo de toma de muestras. En el lugar
en que se efectúe la purga, no se permitirá fumar, tomándose las máximas
precauciones contra todo posible foco de inflamación.
A continuación se efectuará un ensayo de funcionamiento de toda la
instalación, con el fin de comprobar que las presiones en distintos puntos
de utilización son las prefijadas, y que todos los aparatos de regulación,
filtrado, contaje, etc., funcionan perfectamente. Siempre que sea posible,
este ensayo se efectuará antes de la puesta en servicio definitiva de la
instalación. El resultado de este ensayo figurará en el dossier técnico de la
instalación. En caso de eventual puesta fuera de servicio de la instalación,
las conducciones de gas deberán igualmente purgarse como anteriormente,
empleando en este caso aire insuflado, tomando todas las precauciones
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necesarias para evitar cualquier inflamación. Es recomendable en cualquier
caso, y especialmente cuando la tubería sea de un diámetro igual o mayor
de 100 mm, efectuar las purgas mediante anhídrido carbónico, nitrógeno o
con una mezcla de ambos.
7.5.5 Puesta en servicio de la instalación
Realizadas todas la pruebas mencionadas, cumpliendo las correspondientes
Normas y Procedimientos, para el llenado y circulación de Gas Natural en el
circuito interno de distribución, deberá completarse el expediente de
habilitación con todas las autorizaciones de los responsables de fabricación,
instalación y montaje, supervisión y fiscalización, con toda la documentación,
planos y pruebas efectuadas.
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CAPITULO
8
GAS NATURAL EN
CALDEROS INDUSTRIALES
8.1
CALDEROS INDUSTRIALES
8.1.1 Definiciones Básicas
En su concepción más simple, los calderos son equipos diseñados para transferir
calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluído determinado.
Existen una gran variedad de calderos; el más simple podría ser concebido como el
sencillo hervidor de agua casero y el primer caldero industrial representaba una
verdadera olla de vapor con aporte de calor generado por la combustión de carbón y
control de salida del vapor mediante una válvula de cierre.
El primer caldero de vapor pirotubular utilizado que se muestra en la Figura 8.1
ya operaba con petróleo, siendo de un solo paso de gases. Las necesidades de
disponer gradualmente de fluídos (agua caliente, vapor, aceite térmico) con
características cada vez más exigentes de presión y temperatura, determinaron
que los calderos se vayan tornando cada vez más complejos, hasta llegar a los
modernos sistemas de generación de vapor a presiones críticas y supercríticas
para generación eléctrica.
Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado, vapor sobrecalentado o
calentar aceite térmico.
Los calderos, exceptuando los eléctricos, tienen 6 partes básicas :
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Quemador : Aporta el aire de combustión (comburente) y el combustible, los
mezcla y produce la combustión. Sus características dependen del
combustible, debiendo disponer de los mecanismos de regulación que
permitan formar una llama adecuada al hogar o cámara de combustión.
Cámara de Combustión : También llamado hogar y Flue, es el espacio
donde se aloja la llama, es decir, se produce la combustión y se transfiere calor
por radiación.
Sección de Convección :
Zona donde se transfiere el calor de los gases
de combustión al fluído a través de las superficies de calefacción (tubos).
Chimenea : Por donde se eliminan los gases de combustión después de
transferir calor al fluído, permitiendo regular el tiro.
Ventiladores de Aire : Proporcionan el aire de combustión y lo impulsan a
través del caldero. En equipos grandes, puede requerirse un ventilador
exhaustor para tiro inducido.
Instrumentaciones y Controles :
Permiten efectuar la operación con la
mayor seguridad y alcanzar mayores niveles de eficiencia.
Figura 8.1
Primer Caldero de Vapor
9.1.2 Designación de la Capacidad de los Calderos
La cantidad de vapor requerida para producir en determinadas máquinas un
horse power de potencia, dió lugar a la expresión de la capacidad de los calderos
en hp.
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Un hp es equivalente, en tales términos, a 34,5 libras de vapor por hora,
producido desde agua a 100°C hasta vapor a la misma temperatura o
aproximadamente 33.475 BTU/hr, considerando que el calor de vaporización es
de 970,3 BTU/lb.
Los calderos antiguos podían evaporar esta cantidad de agua con
aproximadamente 10 pies2 de área de transferencia de calor, por lo cual las
potencias de los calderos fueron expresadas en boiler horse power (bhp), siendo
tales los pies2 de área de transferencia de calor divididos entre 10.
Actualmente estos términos no resultan teóricamente correctos, ya que no existe
una relación directa entre la cantidad de vapor producida y la requerida para
generar un horse power y tampoco con el área de transferencia empleada; sin
embargo, particularmente en el caso de los calderos pirotubulares, la expresión
de la capacidad de los calderos en hp o Bhp, utilizada por los propios fabricantes
y usuarios en la práctica industrial, debe tomarse en cuenta, considerando que un
hp o bhp resulta equivalente a una producción de 34,5 lb/hr de vapor a 100°C, a
partir de agua a la misma temperatura.
Puesto que los generadores de vapor operan a condiciones distintas, el flujo de
vapor debe ser corregido considerando la temperatura del agua de alimentación y
la presión de vapor saturado. Tal corrección puede ser realizada utilizando la
siguiente fórmula :
(34,5)(bhp)(970,3)
W = -------------------- = (34,5) (bhp)(C.F.)
(hg - hf)
Donde
:
W
:
Bhp :
hg
:
hf
:
BTU/lb
C.F. :
Flujo de vapor (lb/hr)
Boiler horse power = 33.475 BTU/hr
Entalpía de vapor saturado a presión absoluta, BTU/lb
Entalpía del agua de alimentación a las condiciones de operación,
970,3/(hg-hf)
El nomograma de la Figura 9.2 permite un cálculo rápido de ésta fórmula :
La capacidad de las grandes unidades de centrales termoeléctricas se suele
expresar en megawatts (MW), en referencia a la máxima capacidad de energía
eléctrica que resulta posible generar con la producción de vapor que ingresa a las
turbinas.
Un sistema que se orienta a uniformizar las diferentes formas de expresar la
capacidad de calderos, recomienda referirse a la capacidad máxima de transPágina | 185
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ferencia de calor en el sistema, expresada en las unidades adoptadas por el
Sistema Internacional (SI), es decir, Joules/hr.
La práctica moderna es describir a los calderos industriales en términos de su
máxima producción de vapor lb/hr, kg/hr o TM/hr para condiciones determinadas
de presión y temperatura. Siendo práctica usual expresar la capacidad de
calderos pirotubulares en Bhp. La equivalencia de 34,5 lb/Bhp resulta útil y válida.
Figura 8.2
Nomograma para el cálculo de potencia real de calderos pirotubulares
8.1.3 Clasificación de los calderos
Los calderos se clasifican según diferentes criterios relacionados con la
disposición de los fluídos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor
dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo
de operación y parámetros exteriores al caldero ligados a la implementación, ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.
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a)
Por la disposición de los fluídos :
- De tubos de agua (acuotubulares).
- De tubos de humo (pirotubulares).
b)
Por la circulación de agua :
- De circulación natural.
- De circulación asistida.
- De circulación forzada.
c)
Por el mecanismo de transmisión de calor :
d)
- De convección.
- De radiación.
- De radiación y convección.
Por el combustible empleado :
-
De carbón mineral (parrilla mecánica o carbón pulverizado).
De combustibles líquidos.
De combustibles gaseosos.
De combustibles especiales (leña, bagazo, etc).
De recuperación de calor de gases (con o sin combustión de
apoyo).
- Mixtos.
- Nucleares
e)
Por la presión de trabajo :
-
Subcríticos.
De baja presión p < 20 Kg/cm2.
De media presión 20 > p > 64 Kg/cm2.
De alta presión p > 64 Kg/cm2.
f)
Supercríticos.
Por el tiro :
-
De tiro natural.
De tiro forzado.
De tiro inducido.
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8.1.4 Presión y temperatura de trabajo
Desde el punto de vista de la elección de la presión más conveniente para un
caldero, podemos clasificar a éstos en tres grandes grupos :
a) Calderos destinados a suministrar vapor saturado para procesos de
calefacción.
b) Generadores de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión y
aprovechar el
vapor de salida, después de saturarlo, para procesos de calefacción.
c) Generadores de vapor recalentado para la producción de energía eléctrica en
turbinas de condensación.
La elección de la presión del grupo (a) es inmediata, cuando lo que se requiere
es vapor para calentamiento. Como agente de calefacción se utiliza vapor saturado, ya que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y su
coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño.
Puesto que un buen intercambiador de calor calienta un fluido a una temperatura
aproximada de 10°C a 15°C por debajo de la temperatura del vapor calefactor,
partiendo de la temperatura necesaria en el fluido a calentar se deducirá la
temperatura requerida en el vapor a la salida del caldero, tomando en cuenta las
pérdidas de calor en el transporte. Por medio de las tablas Presión-Temperatura, que
se presentan al final de este artículo, se determina la presión a la cual se tendrá que
producir el vapor saturado, para alcanzar la temperatura adecuada.
El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta
temperaturas de unos 200°C aproximadamente, lo que supone presiones del
orden de unas 18 atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele ser
prohibitiva por ser necesarios tuberías y aparatos muy robustos; en estos casos
se utilizan fluidos portacalóricos y aceites térmicos.
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La Figura 8.3 muestra los límites de utilización de algunos tipos de calderos :
Figura 8.3
Límites de utilización de Calderos Industriales
9.1.5 Criterios prácticos para selección de calderos
La gran variedad de tipos de calderos existentes y las múltiples posibilidades de
conformación de los equipos que integran un sistema de generación de vapor
podrían hacer aparecer como algo muy complejo la selección de un determinado
caldero para atender un requerimiento industrial de vapor, agua caliente o
calentamiento de fluídos térmicos.
En el caso de calderos pirotubulares, la selección de equipos de uno, dos, tres o
cuatro pasos obedece a criterios técnicos y económicos. Mientras mayor sea el
número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los equipos serán
más caros. En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrán ser tipo paquete,
pero a partir de cierto límite, variable para cada caso, resultará conveniente
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montarlos en planta. La decisión respecto a la instalación de economizadores y
recuperadores de calor obedece igualmente a criterios de factibilidad técnica y
conveniencia económica, en función de la capacidad de producción de vapor de
los calderos y sus presiones de operación.
Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la práctica industrial se
llama economizador al sistema que permite aprovechar el calor de los gases de
combustión para precalentamiento del agua de alimentación y recuperadores a
los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustión. En la Figura 8.4
se establece algunos rangos que podrían servir como criterios de orientación,
respecto a los tipos de calderos y la conveniencia de utilización de economizadores y recuperadores, en función de la capacidad de producción de vapor y la
presión de operación.
Figura 8.4
Criterios prácticos para Selección e Instalación de Economizadores
y Recuperadores de Calor en Calderos Industriales
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8.2 USO DEL GAS NATURAL EN CALDEROS DE VAPOR
La elección del combustible para instalación y operación de calderos
obedece a factores de carácter técnico y económico, pero las ventajas del
gas natural respecto a los combustibles sólidos y líquidos, resultan
determinantes:
Ausencia de almacenamiento del combustible en el exterior o interior de
la sala de calderas. Las operaciones de precombustión, tan complicadas
en el caso de petróleo y carbón, se limitan a la estación de recepción y
el circuito de distribución interna por tuberías, en el caso del gas natural.
No hay formación de cenizas de ninguna forma: sólidas, liquidas, fundidas
(escorias) o volantes. Todos los dispositivos de recuperación (tolvas, ceniceros,
registros, etc.) y de evacuación pueden suprimirse, especialmente los
separadores de polvo, tan importantes y tan numerosos en las grandes centrales modernas de carbón pulverizado.
No hay deposición ni formación de depósitos adherentes en el hogar y/o
incrustaciones en las superficies de intercambio de calor de las zonas
convectivas del caldero, mejorando la transmisión de calor de las partes
metálicas y no aumentando la resistencia del circuito de gases.
La facilidad de dosificación y medición del gas natural permite regular y
mantener en forma sencilla y efectiva la relación aire – combustible, en niveles
muy convenientes para asegurar combustión completa y alto rendimiento
térmico.
Siendo la proporción de azufre prácticamente nula, no tienen que existir
corrosiones en la parte final de la caldera, especialmente en los
economizadores o recuperadores de aire, los ventiladores de tiro forzado
y los conductos de unión.
La temperatura de los humos puede disminuirse sin temor, permitiendo
la recuperación de calor para precalentamiento del agua
(economizadores) y del aire (recuperadores) en calderos muy grandes,
compensando la disminución de la calidad del aire como comburente.
La combustión del gas no poluciona ni contamina la atmósfera, disminuyendo
las emisiones de CO2 respecto a otros combustibles con relación
carbono/hidrogeno más elevada.
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En la práctica, tales ventajas del gas natural respecto a otros combustibles se
manifiestan en la siguiente forma, en relación con los factores que determinan
los proyectos de instalación y optimización de la generación de vapor en
plantas industriales:
a) La construcción
Las dimensiones de las cámaras de combustión de los calderos pueden
reducirse con respecto a las dimensiones requeridas para petróleo y
carbón. La perfecta mezcla de aire/gas y la rápida combustión de éste,
permite aumentar la carga térmica específica. La infraestructura de
recolección de las cenizas y escorias puede suprimirse. Desde luego, queda suprimida la parrilla y todos los elementos de manutención mecánica.
Las cámaras de combustión, empleando gas natural como combustible,
permitirán cargas térmicas específicas comprendidas entre 0,5 x 106 y 1,5 x
106 kcal m3/h que, referidas a la sección transversal de la cámara, deben
permanecer dentro de los límites de 450 000 a 900 000 kcal/m 2/h.
b) El funcionamiento
El rendimiento térmico puede mejorarse como mínimo, de tres a cinco
puntos (según el combustible que sustituía puede llegar a 8%) gracias a la
posibilidad de realizar y mantener la proporción aire-gas a diferentes
marchas, con un exceso mínimo de aire del orden del 10 al 20 %, cuando
con fuel-oil no puede bajarse del 20 al 30 % y con el carbón del 30 al 50%.
Igualmente existe posibilidad de reducir la temperatura de los humos, sin
riesgo de corrosión en las partes finales de la instalación, debido a la
ausencia de azufre en el gas y de SO2 en los productos de combustión. La
constancia en la composición de los humos para distintas cargas del
caldero (demandas de vapor), permite que los rendimientos industriales de
explotación alcancen valores próximos a los rendimientos teóricos o de
prueba.
c) La regulación
El empleo del gas natural facilita la utilización de dispositivos de regulación
y de mando automático, manteniendo constante la presión de vapor y la
mezcla aire-gas del quemador, siguiendo las variaciones de las demandas
de vapor.
d) El mantenimiento
Los quemadores de gas no necesitan prácticamente ningún mantenimiento,
permaneciendo siempre libre de goteos y de polvo los frentes del caldero
donde van colocados los quemadores. Las superficies de transmisión de
calor de los calderos permanecen siempre limpias.
e) Las inversiones
El gas natural permite la supresión de los parques de almacenamiento del
carbón o de los tanques de almacenamiento de los combustibles líquidos,
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así como de todos los dispositivos de alimentación y trasiego de
combustible y evacuación de cenizas. Tampoco son necesarios
dispositivos para suprimir o reducir los riesgos de contaminación
atmosférica. Con el gas natural se suprime el riesgo de eventuales
indemnizaciones por daños a los vecinos o a la agricultura.
La producción de vapor utilizando gas como combustible, especialmente en
las industrias que necesitan el gas natural para otros menesteres, es cada
día mayor. En muchos casos regulariza el consumo de gas cuando en otras
dependencias la marcha de los aparatos es intermitente y el aumento de
consumo permite obtener precios más bajos en los contratos de suministro.
La transformación de los calderos no presenta, en general, dificultades,
reduciéndose al montaje del equipo de quemadores y órganos de seguridad
y regulación, sin que la estructura del caldero, en sí misma, sufra
modificación alguna.
8.3
Equipos para calderos industriales
El material necesario para la utilización del gas natural en un generador de
vapor comprende:
•
Quemadores,
•
Dispositivos de regulación,
•
Sistemas de seguridad.
Al enfocar la aplicación de gas natural en operaciones industriales se
analizarán las particularidades de estos materiales para cada caso, pero
podemos tomar en cuenta algunos conceptos generales
8.3.1
Quemadores a gas natural
Los calderos de hogar interior o pirotubulares y los acuotubulares modernos
tienen la cámara de combustión recubierta con paredes o tubos de agua. Son,
por consiguiente, hogares fríos cuyas paredes están a una temperatura
sensiblemente inferior a la de inflamabilidad del gas.
Esta característica de construcción tiene una consecuencia importante en lo
que se refiere a las características de construcción de los quemadores. Estos
deben cumplir, especialmente, las exigencias siguientes:
a) Asegurar una mezcla homogénea y suficientemente rápida de aire de
manera que la combustión se mantenga perfecta y terminada en la
cámara de combustión antes de todo contacto con las paredes, cuya
baja temperatura detendría la combustión, con riesgo de obtener
inquemados (disminución de rendimiento) y posibilidad de formación
de mezclas combustibles en el circuito de humos;
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b)
Asegurar, a cualquier régimen, que se mantenga constante la
proporción de mezcla aire-gas próxima a la relación estequiométrica, en
todo caso, dentro de los límites de inflamabilidad con un amplio margen
de seguridad;
c) Asegurar una velocidad de salida de la llama del quemador inferior a la
velocidad de propagación de la llama, para evitar el desprendimiento
de ésta de la boca del quemador, especialmente durante el período de
encendido.
d) Permitir ajustar el volumen y la longitud de la llama en función de las
dimensiones de la cámara de combustión, a fin de asegurar que
aquella llene completamente la cámara, evitando siempre los puntos
de impacto con las paredes. En grandes calderos con cámaras de
dimensiones importantes, es preferible colocar varios quemadores en
lugar de uno solo de mayor caudal;
e) Permitir la obtención de una llama luminosa que favorezca el
intercambio de calor, particularmente en las calderas a radiación.
El número de quemadores depende, esencialmente, de la potencia del caldero.
En general, para calderos de producción inferior a 20 t/h se coloca un solo
quemador; para calderas de producción de 20 a 50 t/h se colocan dos
quemadores; para producciones superiores, se colocan cuatro o más
quemadores. La implementación de quemadores con el diseño necesario para
formar la denominada llama cónica hueca, ha permitido diseños más
compactos y eficientes.
8.3.2 Dispositivos de regulación
Aunque la construcción de algunos órganos de control, de regulación y de
marcha automática tiene alguna particularidad, en la utilización de gas los
principios generales son los mismos que para otros combustibles
(especialmente para los combustibles líquidos) y su aplicación no entraña
ningún problema particular : por el contrario, la limpieza de gas y de los
productos de la combustión son factores favorables para el buen
funcionamiento de dichos dispositivos.
La elección del tipo y programa de control y de regulación será, en cada
caso, objeto de estudio. En el mercado existen todos los tipos de materiales
que permiten revolver el problema, desde el más sencillo al más complicado.
8.3.3
Dispositivos de Seguridad
La seguridad merece ser estudiada cuidadosamente, por una parte en razón
de su gran importancia; por otra, en razón de las exigencias particulares de
empleo de un combustible gaseoso. Teóricamente, es más fácil obtener una
mezcla perfecta y rápida entre el gas y el aire comburente —que, por otra
parte, puede aproximarse más o menos a las condiciones de una mezcla explosiva— pero también es cierto que el gas se presta más fácilmente (debido a su
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facilidad de manipulación) a la adaptación de dispositivos que permiten,
precisamente, prevenir la realización de tales condiciones.
El conjunto de órganos de seguridad debe satisfacer a una triple exigencia:
•
Impedir toda introducción de gas en un recinto de combustión sin que hayan
sido accionados previamente los dispositivos de encendido y de que se
haya controlado el funcionamiento correcto de éstos;
•
Impedir toda introducción de una mezcla gas y aire en proporciones tales
que la combustión de esa mezcla no pueda hacerse correctamente;
•
Asegurar la interrupción rápida de la alimentación de gas, en caso de
extinción imprevista de uno u otro quemador.
Para respetar estas tres condiciones, es necesario que, en todo momento, se
pueda accionar y controlar:
•
•
•
•
•
El caudal de gas,
La presión del gas,
El caudal de aire,
La relación gas-aire,
El tiro.
Estos elementos se regulan, en general, para el conjunto del equipo: seria
deseable, sin embargo que, a excepción del último, pudieran regularse para
cada uno de los quemadores.
Las operaciones de encendido, tanto manuales, semiautomáticas o
automáticas, consisten en:
•
Asegurar un barrido eficaz con aire de la cámara de combustión y de los
conductos posteriores durante un tiempo suficiente, a precisar en las
consignas, a fin de que no haya vestigios de gas en los mismos (cierre
defectuoso de la válvula de gas).
•
Encender el piloto o quemador de encendido y comprobar que la llama se
mantiene estable.
•
Regular la entrada de aire y después abrir el gas.
•
Asegurarse del buen funcionamiento del quemador.
•
En instalaciones equipadas con varios quemadores, efectuar su encendido
sucesivamente.
La comprobación de encendido y mantenimiento de la llama en cada quemador
se asegura mediante un dispositivo de «control de llama», que no debe
intervenir más que a título de seguridad complementaria en caso de incidente.
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Se utilizan principalmente dos soluciones:
•
La ionización de la llama que asegura la detección por medio de electrodos
sometidos a una diferencia de tensión que puede ser continua o alterna,
actuando entonces por rectificación de la tensión alterna. Los electrodos
deben colocarse en la llama piloto, si existe, o en su defecto, en la llama
principal, y su posición debe elegirse cuidadosamente. La elección de
electrodos de masa, de longitud apropiada, evitará la colocación de
dispositivos de seguridad por simple desprendimiento de la llama de la boca
del quemador, cuya intervención no tendrá lugar más que en caso de un
desprendimiento exagerado;
•
La medición de las radiaciones emitidas por la llama, debido a una célula
fotoeléctrica sensible a la radiación de los productos de la combustión. La
posición y la orientación de dicha célula son importantes y deben escogerse
juiciosamente. Ofrece la ventaja de poder montarse en el exterior de la
cámara de combustión sin necesidad de tener ninguna parte en contacto
con la llama.
En general, el riesgo consiste en la extinción eventual de la llama del
quemador, seguido del derrame de la mezcla aire-gas sin encender en la
cámara de combustión; ésta se hallaría entonces llena de una mezcla en
proporciones explosivas, cuyo encendido podría provocar una deflagración.
La extinción inopinada de la llama puede tener dos causas:
•
Variación o disminución intempestiva de la presión;
•
Desarreglo de la combustión, haciendo que la mezcla aire-gas en el
quemador quede fuera de los límites de inflamabilidad (paro de corriente en
el ventilador de aire o funcionamiento defectuoso de éste).
Los dispositivos de seguridad deben poder responder a estas dos
situaciones y su acción debe traducirse en un corte total y rápido de la
llegada de gas a los quemadores. La vuelta a la situación normal no puede
hacerse más que por intervención manual.
La instalación más sencilla comprende pues:
•
Un dispositivo de control de la presión provocando el corte de la llegada de
gas a los quemadores, para una variación del orden del 20 %.
•
Un dispositivo de control de la llama, accionando el corte del gas a los
quemadores en caso de extinción.
El rearme del órgano de corte de gas no podría efectuarse más que
manualmente, de tal forma que no pueda volverse a encender hasta que la
causa del cierre del gas se haya detectado y suprimido, y después de
efectuar, en el orden que deban hacerse, todas las maniobras del
encendido.
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El órgano de corte deberá también intervenir en caso de falta de corriente,
que provocará el paro del ventilador de aire comburente y del ventilador de
tiro.
En estas condiciones, y realizando una comprobación periódica y frecuente
del buen funcionamiento de los diferentes órganos de seguridad, cuya
elección es tanto o más importante que la del quemador, la utilización de
gas natural en las calderas ofrecerá todas las garantías necesarias.
La Figura 8.5 representa un esquema completo de un equipo de seguridad
para un caldero empleando gas natural.
Figura 8.5
Esquema Completo de Equipo de Seguridad en Caldero a Gas
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8.4
CONVERSIÓN DE CALDEROS PIROTUBULARES AL GAS NATURAL
Los calderos pirotubulares son los equipos mas utilizados en la industria y
constituyen un objetivo de sustitución total, cuando se incorpora el gas natural, a
precios accesibles, como alternativa de suministro energético.
La disponibilidad de gas natural representa para los calderos pirotubulares la
oportunidad de una conversión que constituya un proyecto de alta rentabilidad si se
concibe, plantea y ejecuta en la forma técnicamente correcta.
El gas natural simplifica la operación de calderos pirotubulares debiendo quitar
equipos en vez de ponerlos y disminuir costos operativos en lugar de
incrementarlos.
El menor precio relativo del gas natural, justificado por su imposibilidad de
almacenamiento y no por ser un combustible de menor calidad, constituye un
argumento para justificar la inversión en nuevos quemadores y sistemas de
control complicados y costosos, pero ello resulta difícilmente compatible con la
facilidad de manejo y combustión del gas natural.
Para analizar objetivamente la forma en que se plantean tradicionalmente los
proyectos de sustitución en calderos pirotubulares podemos evaluar los resultados de
la sustitución de petróleo diesel (ACPM) o residual (fuel oil o combustóleo) por gas
natural en las experiencias que se han vivido en los últimos años en la mayoría de
países latinoamericanos, aplicando tecnologías que consideramos equivocadas, que
favorecen los intereses de los proveedores, pero afectan la rentabilidad de los
proyectos y la economía de los usuarios.
En realidad, los proyectos han consistido básicamente en sustituir los quemadores
que operaban con combustibles líquidos por quemadores duales y sus respectivos
sistemas de control operativo, sin mayores modificaciones en el resto de los calderos,
Como puede apreciarse en la Figura 8.6, el quemador dual resulta casi del mismo
tamaño que el propio caldero.
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Figura 8.5
Quemador Dual
De esta forma se pierde un 5% de capacidad de producción y disminuye unos 2 o 3
puntos la eficiencia, debido a que aumenta el volumen de los gases y se reduce la
emisividad de llama, disminuyendo en algo la transferencia de calor por radiación.
Al haber existido normalmente un diferencial de precio local a favor del gas natural
en razón de las dificultades para su transporte a grandes distancias, los usuarios se
han dado por satisfechos con el ahorro por diferencial de precios y la comodidad de
su operación y mantenimiento, sin aprovechar realmente todas sus posibilidades y
ventajas.
En otros casos, los beneficios económicos no han sido los esperados, no resultando los
ahorros generados suficientes para pagar las fuertes inversiones en instalaciones y
quemadores de alto costo instalados innecesariamente.
Las opciones que ofrecen los fabricantes de quemadores para efectuar la conversión
de calderos diseñados para combustibles líquidos incorporando un “kit” diseñado
para este propósito resulta siempre técnicamente complicada y económicamente
inconveniente.
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Figura 8.6
Kit de conversión para calderos pirotubulares
Buen negocio para los proveedores, problemas para el caldero
El modelo de conversión que planteamos es totalmente diferente:
En primer lugar, consideramos que la condición dual no tiene que mantenerse
latente en el quemador, porque el suministro de gas resulta suficientemente
seguro. Tomando en cuenta que el 70% del costo de un quemador para gas
natural lo representan los sistemas de control, casi siempre resultará
conveniente y rentable instalar un nuevo quemador (Figura 8.7)
Figura 8.7
Quemador 100 % Gas Natural
El tren de válvulas que recibe el gas del circuito interno de distribución, debe
acondicionar las condiciones de suministro requeridas por el quemador.
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Cumpliendo las Normas correspondientes en cuanto a ubicación, estará
conformado por los siguientes elementos. Válvula de cierre, filtro,
manómetros, regulador de presión y medidor de flujo (recomendado) (Figura
8.8).
Figura 8.8
Tren de Válvulas
En los calderos pirotubulares el ventilador proporciona el tiro forzado que
impulsa los gases hasta la base de la chimenea; al eliminar la caída de presión
del difusor, el impulso permitirá mover más gases y quemar más combustible,
aumentando la potencia térmica en el hogar.
La mayor velocidad y limpieza de los gases que se generan con gas natural
permiten ubicar turbuladores en los 2 primeros pasos de tubos, aumentando
la turbulencia y transferencia de calor por convección en el interior de los
tubos. El diseño adecuado de los turbuladores permitirá colocarlos y
retirarlos con facilidad cuando resulte necesario.
Figura 8.9
Turbuladores de convección
El sistema de control de funcionamiento del quemador también podría
cambiarse si es obsoleto y/o se encuentra en mal estado, pero en la práctica
hemos quedado convencidos que casi siempre resulta mejor incorporar un
quemador nuevo, compacto, moderno y eficiente previsto para control
operativo totalmente automatizado. Tomando en cuenta los ahorros previstos,
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también debe considerarse la posibilidad de adquirir un caldero nuevo, como
proyecto de inversión.
Tomando en cuenta la limpieza de los gases y su bajo punto de rocío, debe
instalarse siempre un economizador para incrementar la temperatura del
agua de alimentación. Un incremento mayor a 20°C en la temperatura del
agua de alimentación representa un ahorro promedio de US$ 5000/año,
resultando justificada la inversión en una bomba de mayor capacidad, si
resultase necesario.
La facilidad de combustión del gas natural y la conveniencia de favorecer la
emisividad de llama, nos orientan a recomendar la regulación del nivel de
exceso de aire en un 5% (1% de O2 en los gases). En esta forma quedará
totalmente compensado el mayor requerimiento de aire de combustión del gas
natural respecto a otros combustible líquidos que deben trabajar con un
mínimo de 20% de exceso de aire.
Los calderos pirotubulares normalmente disponen de tiro forzado que
impulsa los gases circulantes hasta la base de la chimenea,
cambiándose con el tiro natural de la misma para asegurar la correcta
evacuación de gases a la atmósfera. La limpieza de los gases del gas
natural y la notable disminución del punto de rocío ácido permite
considerar la ubicación de un sistema de recuperación de calor,
aprovechando el calor residual en los gases para precalentar el agua del
caldero.
Tomando en cuenta que por cada 20°C de disminución de temperatura
en los gases se incrementa un 1% la eficiencia del caldero, se podría
conseguir un 3-4% de mejora en la eficiencia mediante la instalación de
un economizador de características adecuadas de diseño.
Las llamadas ―trampas de hollín‖ que instalan en los calderos para
atrapar el hollín, en lugar de optimizar la combustión y eliminarlos,
podrán ser utilizados para instalar los economizadores (Figura 8.10).
Figura 8.10
Economizadores en lugar de trampas de hollín
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8.5
CONVERSIÓN DE CALDEROS ACUOTUBULARES AL USO DEL GAS
NATURAL
8.5.1 Criterios generales de aplicación
Las ventajas y posibilidades que representa el uso del gas natural en calderos
pirotubulares resultan similares a calderos acuotubulares de pequeña
capacidad, pero disminuirán a medida que aumente la capacidad de
producción y niveles de presión y temperatura del vapor producido.
La facilidad de combustión y limpieza de gases de combustión del gas natural
ofrece similares ventajas por dentro y fuera de los tubos. Así como permiten
instalar turbuladores y economizadores en calderos pirotubulares, también
representa mejores posibilidades de mayor densidad de tubos y menores
distancias entre tubos en los pasos de los gases a través de los
sobrecalentadores, tubos de bajada y calentamiento.
La gran diferencia en este campo lo constituye la proporción de calor que se
transfiere por radiación como se puede apreciar en el gráfico de la Figura 8.11.
En calderos pirotubulares se transfiere el calor principalmente por convección
por lo cual el uso del gas natural siempre resulta ventajoso.
En calderos acuotubulares a partir de una capacidad de producción de 50 t/h
de vapor, la proporción de calor transferida por radiación resulta cada vez más
importante llegando a alcanzar hasta un 90% en los grandes calderos utilizados
en centrales termoeléctricas.
La mayor emisividad de la llama del gas natural resulta un factor limitante en la
medida que aumenta la capacidad de los calderos hasta resultar inconveniente
el uso del gas natural en forma exclusiva. En tales casos la utilización
combinada de gas natural, combustibles sólidos y líquidos difíciles de quemar y
bajo costo, representa una posibilidad más conveniente que el uso de petróleo
y/o carbón.
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Figura 8.11
Transferencia de Calor por Radiación en calderos acuotubulares
Para utilizar gas natural en calderos acuotubulares deberá tenerse en cuenta
las siguientes consideraciones :
El diseño del quemador deberá orientarse a incrementar la emisividad
de la llama.
Los niveles de exceso de aire en el manejo de la combustión deben
conducirse en valores mínimos (< 10%) compensando el mayor
requerimiento estequiométrico de aire respecto a otros combustibles
más difíciles de quemar.
En el circuito de gases se debe implementar todos los elementos y
factores de diseño que favorezcan la transferencia de calor por
convección.
Los niveles de ensuciamiento de tubos utilizando gas natural deben ser
nulos.
Los bajos contenidos de azufre permiten disminuir la temperatura de los gases
de salida hasta valores considerablemente menores a los que resultan factores
limitantes de la eficiencia cuando se utilizan petróleo y carbón.
8.5.2 Adaptación de Calderos Acuotubulares en función de su capacidad
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Tomando como referencia los criterios de selección del tipo de calderos en
función de su capacidad podemos establecer que por encima de 1.200 BHP, en
términos utilizados para las pirotubulares, resulta conveniente instalar un
Caldero Acuotubular que producirá unas 20.000 t/h de vapor, variables con su
presión y temperatura.
En este nivel de capacidad todavía predomina la transferencia de calor por
convección y resultará posible operar con un 100 % de gas natural y los
parámetros recomendados.
Los criterios considerados para conversión de calderos pirotubulares resultarán
aplicables en calderas acuotubulares pequeñas, pero en la medida que se
incremente la capacidad del caldero, para seguir operando con gas natural y
mantener niveles de producción y eficiencia satisfactorios, tendrá que
considerarse algunas modificaciones en el diseño:
Incrementar la capacidad del Economizador para recuperar la menor
cantidad de calor transferido por radiación en el hogar.
Instalar un atemperador en la salida del sobrecalentador de vapor que
inyecte agua atomizada para controlar la temperatura del vapor
producido.
Disminuir a 5 % el nivel de exceso de aire para la combustión, para
elevar la temperatura y compensar la menor emisividad de llama.
La posibilidad de utilizar quemadores duales podría considerarse, pero sierre
que se pueda, gasta una capacidad promedio de 50 t/h de producción de
vapor, siempre resultará mejor permanecer con la limpieza y facilidad operativa
que proporciona el gas natura.
El quemador de gas para potencias crecientes debe tener un diseño adecuado
para que la forma de llama se adapte a la geometría del hogar, procurando la
mayor emisividad posible (Figura 8.10).
Figura 8.10
Quemador Gas
Caldero Acuotubular
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Para el caso de calderos que se utilizan para calentamiento de aceite térmico,
los cuales pueden ser considerando en este campo debido a que el aceite fluye
por el interior de los tubos, siempre resultará conveniente mantenerlos con
100% de gas natural, debido a que los diseños consideran varios pasos de los
gases en el interior del cuerpo del caldero, incrementándose la proporción de
calor transferido por convección (Figura 8.11).
Figura 8.11
Calentadores de aceite térmico tipo acuotubular
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Se presentan en diseños horizontales y verticales, ubicando una llama
relativamente corta en el hogar, transfiriendo calor por radiación desde la
misma a la pared de tubos que forma el hogar (30-40%) y el resto a través de
otros 3 pasos, donde se transfiere calor principalmente por convección (6970%). Estableciendo un buen controlo sobre la atomización de combustibles
líquidos y el tiro, se consiguen muy buenas eficiencias (83-84 %).
Para convertirlos a gas natural debe sustituirse totalmente el quemador, para
utilizar como combustible 100 % de gas natural; controlando adecuadamente
un bajo exceso de aore y la circulación de gases, resulta posible mantener las
mismas condiciones de producción y eficiencia, pero con una limpieza perfecta
de tubos y eliminación total de emisiones de inquemados.
8.5.3 ADAPTACIÓN DE CALDEROS DE PETRÓLEO PARA GAS NATURAL
Los grandes calderos acuotubulares, mayoritariamente dedicados a la
producción de vapor sobrecalentado para generación eléctrica, en centrales
termoeléctricas o sistemas de Cogeneración, transfieren calor en una mayor
proporción por radiación, como puede apreciarse en la vista de la Figura 8.12 .
Cuando estos calderos operan con petróleo, su adaptación para gas natural
resulta relativamente simple, pero necesariamente debe mantener un 20 % del
petróleo, para conseguir una llama suficientemente emisiva, para mantener (y
mejorar) la transferencia de calor por radiación, al permitir la presencia del gas
natural que se disminuya el exceso de aire hasta un 10 %, manteniendo
combustión completa y limpieza total de las zonas convectivas, representadas
principalmente por economizadores y sobrecalentadotes.
Figura 8.12
Calderas de Radiación para quemar petróleo
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Todos los equipos auxiliares, ventiladores y órganos de regulación pueden
conservarse. Concretamente, los caudales y las potencias absorbidas por los
ventiladores de aire comburente y de tiro son ligeramente inferiores (disminución del exceso de aire) a cuando funcionaban con fuel-oil o carbón como
combustible, ya que, teóricamente, la cantidad de aire necesaria para la
combustión depende únicamente del calor desarrollado en el hogar (potencia
de la caldera) y no del tipo de combustible;
Los quemadores de fuel-oil pueden conservarse; siempre es posible disponer
los quemadores de gas alrededor de los inyectores de fuel. Pueden también
sustituirse por quemadores mixtos gas-fuel. Es interesante conservar los
quemadores de fuel, así como todos los dispositivos de alimentación cuando ya
están instalados, puesto que permiten asegurar, en determinados casos, las
variaciones de la carga a fin de mejorar la modulación en el consumo de gas;
Los dispositivos de control de llama por célula fotoeléctrica pueden
eventualmente adaptarse a las características particulares de la llama de gas
natural.
El aporte del 80 % del calor quemando has natural, permite considerar
necesarias y/o convenientes las siguientes acciones:
Modificación del las toberas de atomización de los quemadores para los
volúmenes correspondientes a la condición de operación mixta.
En caso de cambio de quemador, diseñar o seleccionar la condición de
operación Gas- Oil 4:1.
Formular como proyecto de inversión la sustitución del petroleo por otro
combustible alterno de menor costo, tales como aceites lubricantes
usados (de la propia planta), crudo de petróleo, aceites residuales
industriales etc.
Centrales
Ecológicas con Gas
Natural
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La disponibilidad de gas natural y su adaptación para operación mixta en este tipo de
equipos debe representar una importante oportunidad de optimizacióm técnica , económica
y ecológica en su operación.
8.5.4 ADAPTACIÓN DE CALDERAS DE CARBÓN AL GAS NATURAL
La adaptación a gas natural de las calderas a carbón presenta problemas más
complejos y conduce a inversiones relativamente más importantes.
Su adaptación para operación con gas natural, concebida por proveedores de
maquinaria y equipo resultará inmensamente complicada y costosa, con
grandes inversiones en acero, instrumentación y compleja tecnología; y pur
supuesto, grandes beneficios económicos para ellos y grandes problemas
técnicos para los usuarios.
Como expertos en simplificación de la tecnología, basados en fundamentos
termodinámicos, criterio, lógica y experiencia, hemos diseñado dos sistemas
que permiten la adaptación de los dos tipos de calderos más frecuentes, con
moderada inversión y significativas mejoras respecto a la concepción funcional
de diseño, operando con carbón.
Calderas de Carbón Pulverizado
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La adaptación de este tipo de calderas al gas natural resulta similar, en
términos generales, al propuesto para las que operan con petróleo, porque el
carbón pulverizado se inyecta en forma neumática, quemando en suspensión,
en la misma forma que las partículas de coque producto del craqueo del
petróleo.
La incorporación del gas natural en la forma adecuada, sin impulso y en forma
transversal, para que se ponga a disposición del flujo dominante que es el aire,
permitirá completar rápidamente su combustión, incorporando en la misma las
partículas de carbón pulverizado.
Para concebir esta aplicación, debe recordarse los postulados de la Teoría
Inorgánica de la Combustión (Cap. 1).
También en forma similar al petróleo, la modificación del petróleo debe
considerar la inyección de un 20 % de carbón (unidades energéticas); debe
tomarse en cuenta que también en estas circunstancias el factor de mayor
importancia en el desarrollo de la combustión es la mecánica de fluidos, y por
ello, el protagonista debe ser el aire, como flujo dominante y aportante de la
energía de mezcla y los impulsos que determinan la forma de llama.
Considerando la presencia del gas natural en una proporción mayor, resultará
totalmente justificado el utilizar como componente sólido, un combustible de
menor precio, tal como pet coke, cisco, materiales combustibles residuales
pulverizados, etc.
Siempre interesados en investigación aplicada, resultará interesante efectuar
pruebas con 100% de gas natural y mezclas diferentes.
Adaptación de Calderos de Carbón Sobre Parrilla al Gas Natural
Caldero de parrilla viaje
Figura 8.13
Caldero tipo parrilla viajera
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En los calderos de parrilla viajera, el carbón se alimenta en trozos, formando
un lecho a través del cual transcurre el aire de combustión. Manteniéndose la
temperatura siempre por encima del punto de ignición del combustible: Se
dispone de quemadores laterales de petróleo que permiten el calentamiento
inicial y la regulación de las condiciones de temperatura y circulación de calor.
Los gases transcurren por el hogar de paredes de tubos de agua y la zona
convectiva, donde se ubican los sobrecalentadotes.
La combustión sobre la parrilla concluye al llegar al extremo, cayendo los
residuos de combustión al cenicero, desde donde se eliminan por distintos
medios de extracción y transporte.
Al incorporar el gas natural, para adaptar su operación para operación mixta,
los quemadores laterales deberán operar con gas, incrementando su
proporción actual considerablemente.
El concepto de diseño se orienta a convertir la parrilla,parcialmente en un lecho
fluidizado, para lograr que una parte del carbón sea arrastrado por el aire hacia
una zona superior que se mantenga a temperatura elevada, para producir su
combustión en suspensiónPara implementar este sistema se deben efectuar las siguientes acciones:
Incrementar la potencia de los ventiladores, para disponer de mayor
presión debajo de la parrilla.
Modificar la granulometría del carbón, para incrementar la presencia de
material fino.
Implementar a la parrilla, si no la tiene, la alimentación de partículas de
menor tamaño (1 mm) que se alimentaría solamente cuando se
estabilice térmicamente el sistema, con el sistema de lanzadera.
El gas natural se inyectará lateralmente en la proporción máxima
posible, disminuyendo simultáneamente la alimentación de carbón ,
disinuyendo la altura del lecho y disminuyendo la velocidad de la
parrilla viajera.
Las mejores condiciones de combustión del gas, transmitidas para
favorecer las del carbón, deben permitir incrementar la producción y la
eficiencia del caldero.
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8.5.5 ADAPTACIÓN DE UN CALDERO BAGACERO PARA EL GAS
NATURAL
La utilización del bagazo de caña como combustible ha resultado una
alternativa energética en condiciones de insuficiencia de otros
combustibles tradicionales, permitiendo alcanzar la autosuficiencia
energética en plantas azucareras pero cuando se dispone de
combustibles más eficientes a precios adecuados, existen otras opciones
de empleo que resultan claramente más atractivas, tales como la
producción de papel, prensados y recientemente el etanol celulósico. Al
existir la disponibilidad de gas natural con todas sus ventajas y a precios
accesibles, considerando todo el espectro de materiales que comprende
el bagazo (bagacillo, licor negro, cenizas, polvillo, etc.), planteamos un
modelo de adaptación de calderos diseñados para quemar bagazo
(bagaceros) al uso productivo y eficiente del gas natural .
El bagazo es un material fibroso, heterogéneo en cuanto a su composición
granulométrica y estructural, que presenta relativamente baja densidad y un
alto contenido de humedad, en las condiciones en que se obtiene del proceso
de molienda de la caña.
El contenido en cenizas del bagazo natural puede considerarse moderado,
ubicándose entre 2 y 5 % (b.s.). Sin embargo, como consecuencia directa de la
mecanización de la cosecha, y sobre todo en época de lluvia, este parámetro
puede elevarse considerablemente, llegándose a reportar valores extremos de
12 a 15 %.
Características principales:
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Tabla 1. Análisis inmediato (% base seca).
Característica
%
Carbono fijo
41,9
Volátiles
46,36
Cenizas (815º)
11,74
Tabla 2. Análisis elemental (% base seca).
Característica
%
Carbono
42,54
Hidrógeno
5,17
Nitrógeno
0,63
Azufre
0,30
Oxígeno
39,62
Tabla 3. Poderes caloríficos.
Especificación
(kcal/kg)
(kJ/kg)
Superior (b.s.)
3 986
16 661,5
Inferior (b.s.)
3 715
15 528,7
Los calderos utilizados para quemar bagazo son de tipo parrilla (Figura 8.14)
parecidos a los de carbón en cuanto a su concepción funcional, pero con un diseño más
adecuado de parrilla para las características del bagazo y sus componentes
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Figura 8.14
Caldero
Bagacero
El análisis de las Tablas anteriores nos explica las grandes dificultades técnicas
que confrontan los calderos bagaceros para estabilizar su operación y con su
mantenimiento:
La humedad representa un gran inconveniente para la alimentación y
acomodo del bagazo en la parrilla.
Al eliminarse la humedad, consumiendo 540 Kcal/kg y generando vapor
que incrementa los gases circulantes, aparecen componentes finos y
livianos, el bagacillo, que se volatiliza formando incrustaciones sobre
tubos y/o contaminan el ambiente con los gases de salida.
Las cenizas, principalmente conformadas por sílice, provocan abrasión y
desgaste sobre tubos y partes metálicas.
Los bajos poderes caloríficos y humedad, establecen condiciones téricas
muy limitadas, limitando la producción y calidad de vapor generado.
Para compensar estas deficiencias resulta indispensable instalar
quemadores de un combustible secundario y eventualmente , alimentar
otros materiales producidos en los procesos cañeros, tales como carbón,
polvillo, licor negro, etc, etc.
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La disponibilidad de gas natural para operación del caldero bagacero
representa un cambio fundamental, por las siguientes razones:
Facilita el pre-secado del bagazo y la prehomogenización del
combustible sólido.
Establece mejores condiciones de aporte térmico a la zona del hogar,
permitiendo completar la combustión del material en suspensión de
gases.
Económicamente, permite disminuir los costos del vapor producido y los
Kw generados.
Disminuye las emisiones de inquemados sólidos y gaseosos, facilitaudo
la separación de las cenizas.
El modelo que consideramos conveniente recomendar para adaptación de
estos calderos para aprovechar las ventajas del gas natural es el
siguiente:
Considerando que el bagazo (fibra larga) resulta mejor utilizarlo como
insumo para producción de papel, prensados y etanol celulósico.
Actualmente en Colombia se logra producir 90 galones de etanol con 1
TM de bagazo, lo que representa un valor agregado 10 veces mayor que
su empleo como combustible.
La operación debe modificarse a la concepción que represente quemar
gas natural como combustible principal, considerando la combustión
secundaria de los residuos no utilizables como insumos industriales.
Estos residuos, el polvillo y el licor negro como aglutinante, deben ser
conformados en pellets, para facilitar su combustión sobre parrilla.
La parrilla debe modificarse y dimensionarse, para quemar estos
materiales combustibles y eliminar las cenizas, separándolas de los
gases circulantes.
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La nueva concepción operativa del caldero debe permitir alcanzar
rendimientos superiores al 80 %, mientras que con bagazo, difícilmente
superan 70 %.
La conversión de los calderos
bagaceros al gas natural
permiten incrementar su
producción y
eficiencia,
utilizando el bagazo como
insumo industrial con mayor
valor agregado 10 veces mayor.
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CAPÍTULO
9
aplicación del
Gas natural en
Procesos de
Secado industrial
El agua constituye una condición para la vida. Todo en el planeta está
constituido por materia y energía, en un equilibrio hidrotermodinámico
permanente con el aire atmosférico. El contenido de humedad es una condición
inherente a cualquier forma de presentación de la materia, influenciando sus
características y propiedades fisicoquímicas.
En el ámbito industrial, el secado constituye el proceso de mayor frecuencia en
la industria y se define como la transferencia de calor y masa para disminuir el
contenido de humedad de determinados materiales en proceso y/o productos
industriales, con uno de los siguientes objetivos:
Facilitar un proceso industrial posterior
Reducir costos de transporte
Permitir la utilización satisfactoria, final o intermedia, de un determinado
producto
Permitir la conservación, almacenamiento y transporte de un producto
Mejorar el rendimiento de una instalación o equipo
Permitir el posterior aprovechamiento de subproductos.
La disponibilidad del gas natural representa una ventaja formidable para
cumplir tales objetivos, con importantes ventajas técnicas, económicas y
ecológicas.
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9.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SECADO Y SUS IMPLICACIONES
ENERGÉTICAS
El proceso de secado se ajusta a principios básicos y depende de factores y
condiciones fundamentales que entrañan implicaciones energéticas de gran
importancia.
Dentro de este contexto hay que hacer referencia a los aspectos siguientes:
Propiedades del producto a secar como condicionantes del proceso
de secado.
Mecanismos de transferencia de calor, transferencia de masa y
circulación interna.
Períodos y duración del secado.
9.1.1 Características del producto a secar
En el producto a secar hay que considerar los aspectos siguientes:
Presentación de la humedad contenida.
Mecanismos de fijación de la humedad.
Mecanismos de transferencia de la humedad.
Así, el líquido contenido en un cuerpo susceptible de desecación puede
presentarse en forma pura o en solución, capaz de pasar al estado cristalino o
coloidal. Este líquido puede ser adherente, capilar o de volumen, según la
naturaleza de la vinculación líquido-cuerpo.
En definitiva, cada cuerpo presenta características propias que le hacen
reaccionar de forma diferente ante la humedad de una determinada atmósfera
(tensión de vapor) o el calor que se le suministra procedente de cualquier
fuente térmica (desecación). En consecuencia, cada cuerpo, a una
determinada temperatura, tiene un comportamiento particular, ante un
determinado ambiente de humedad.
La energía para liberar a un cuerpo de un líquido agregado, dependerá de las
características de sorción de ese cuerpo. Este planteamiento es sumamente
importante ya que el conocimiento profundo de los mecanismos de fijación y
presentación de la humedad es básico para identificar los límites de viabilidad
de las aplicaciones de energía para el secado, porque este análisis de las
propiedades fundamentales del producto debe llevar a identificar alternativas
de recambio, en procesos y/o productos, que permitan rebajar los consumos de
energía usualmente requeridos.
Página | 218
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9.1.2
Secado por arrastre y por ebullición
Este planteamiento está íntimamente relacionado con el propio proceso de
secado. Cabe hacer referencia a dos grandes grupos de procesos: por
ebullición y por arrastre.
La ebullición de un líquido se produce cuando su temperatura es tal que la
presión de vapor Pa, de dicho líquido es igual a la presión total ambiente Pt:
Pa = Pt
Este equilibrio de presión está, lógicamente, influenciado por el balance térmico
existente. Así:
Para el agua pura a la presión atmosférica la temperatura necesaria es
100°C.
Para las soluciones acuosas la presión de vapor del agua desciende por
la presencia de cuerpos no volátiles disueltos y la temperatura necesaria
será superior a 100°C.
Para los sólidos húmedos, los fenómenos son análogos: según el estado
del agua en el producto, ésta hierve a 100°C o más.
En todos los casos la temperatura de ebullición depende de la presión, siendo
más baja con vacío.
La ebullición propiamente dicha (formación de burbujas de vapor) es más difícil
de observar en los sólidos o los cuerpos pastosos que en los líquidos.
En el caso particular de la liofilización, se produce una sublimación al
efectuarse un alto vacío sobre el producto previamente congelado. Para que se
efectúe esta sublimación es preciso lograr unas condiciones de presión y
temperatura tales que hagan permanecer al producto en su punto eutéctico.
Este proceso, muy frecuente en farmacia y alimentación ,exige una preparación
previa (la congelación).
En todos los casos, el proceso de evaporación está determinado por el sistema
de aporte de calor latente de evaporación. Este aporte es efectuado:
Por conducción, a partir de una superficie caliente en contacto con el
producto.
Por radiación o generación interna de calor, debido a la exposición a rayos
infrarrojos, a microondas o por un calentamiento dieléctrico.
Por convección, a partir de vapor de agua sobrecalentado o de un fluido
hirviendo.
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La ebullición permite el secado de productos muy oxidables o la eliminación de
un disolvente volátil, combustible en presencia de aire, por ebullición en un
circuito cerrado.
En el secado por arrastre, al ponerse en contacto un cuerpo húmedo con aire
caliente y seco, se establece una diferencia de presión parcial de agua y
temperatura, entre ellos, que se caracteriza por:
Una transferencia de calor entre el aire y el producto por efecto del salto
térmico.
Una transferencia de agua que se efectúa en sentido inverso por baja
humedad relativa en el aire.
En la Figura 9.1 se incluye un ejemplo típico de «arrastre de calor y masa» en el
secado de un producto muy hidratado.
El secado se llama isoentálpico si la energía necesaria para la evaporación del
agua es exactamente igual a la aportada por el aire caliente. El aire sirve
como calefactor y gas vector para el agua evaporada, entrando seco y caliente
en el secadero y saliendo húmedo y menos caliente. Precisamente este aire
húmedo y menos caliente contiene, aún, un importante calor latente en el agua
liberada; a él se ha hecho referencia anteriormente, calculándose un importante
valor de energía recuperable en base a este principio.
Tanto en la ebullición como en el arrastre, es la presión del vapor de agua del
producto quien determina los intercambios entre el aire y el producto.
Las bases teóricas que determinan estos intercambios que conducen al
denominado estado de equilibrio, se recogen en la bibliografía técnica sobre el
tema (p. e.: Loucin 1976).
Figura 9.1
Esquema de Secado por Aire
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En resumen la relación fundamental de este equilibrio es:
Pp = Pt . aw
Pp
=
Presión de vapor de agua de una sustancia.
Pt
=
Presión de vapor de agua pura a la misma temperatura ―t‖.
aw
=
Actividad del agua o grado higrométrico del aire en el
equilibrio entre el sólido y la atmósfera que lo rodea.
Las anteriores definiciones permiten medir la aw de un producto, determinando
la humedad relativa de una pequeña cantidad de aire en equilibrio con ese
producto. Existe pues, una relación entre aw y ns (contenido en agua, medido
en kg de agua/kg de materia seca) a una temperatura dada. Esta relación se
representa por la ―isotermia de sorción del producto‖.
En la Figura 9.2 se representa gráficamente esta relación para cuerpos de
diferentes grados de higroscopicidad. En la Figura 9.3 se recogen curvas de
sorción de diferentes cuerpos (según Kneule).
Figura 9.2
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Figura 9.3
Curvas de Sorción de Diferentes Materiales
La determinación de las curvas de sorción son de gran importancia para
identificar con eficacia los condicionantes básicos de cualquier proceso de
secado. Esta determinación es muy sencilla y existen métodos, como el de las
«Sales Saturadas», descrito por Loucin, de fácil aplicación.
En definitiva, cuando aw es diferente a 1 se dice que el producto tiene «agua
libre» y si aw es sensiblemente menor que 1, se dice que el producto tiene
«agua ligada». En este último caso el secado es más difícil y exige mayor
aporte energético.
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9.1.3 Preparación previa del producto y fases del secado
La definición de características fisicoquímicas del producto y su contenido de
humedad definen los términos para selección del tipo de secado y las fases
necesarias para completar
lo objetivos del proceso. Casos típicos los
representan los que eliminan contenido de agua en sistemas mecánicos de
moldeado y prensado, antes de la etapa final de secado por arrastre o
ebullición (Figura 9.4).
Figura 9.4
Este planteamiento lleva a importantes conclusiones en relación con la
«preparación previa al secado». La isoterma de secado variará según se
presente el agua dentro del producto de forma que una primera
«deshumidificación» por procedimientos de bajo consumo energético o
mediante aportaciones energéticas sustitutivas (p. e.: energía solar) facilitarían
las fases finales del proceso de secado, exigiendo menor aporte energético.
No siempre es fácil esta preparación previa del producto pues hay que tener en
cuenta
numerosos
factores
implícitos:
Materia
prima,
relación
tiempo/temperatura, aceleración de modificaciones internas, calidad final,
aspectos higiénicos-contaminantes, etc.
Se tratará de conjugar la viabilidad del pre-tratamiento y el tratamiento de
secado con esos factores incidentes. Así, ciertos pre-tratamientos son
igualmente interesantes como mejoradores de la calidad del producto y del
balance energético del proceso:
Blanqueado de inactivación enzimática que destruye microorganismos
(Industrias alimentarias).
Tratamiento al S02 que ralentiza la reacción de Maillard.
Tratamiento con ácidos (ascórbico, cítrico, cloruro de calcio, etc) o con
sosa.
Congelación (para secado por liofilización).
También merece atención la relación tiempo de secado-temperatura,
directamente ligada a la curva de sorción del producto y a la etapa de
preparación previa. La racionalización de estas variables puede llevar a dar
preferencia a secadores de baja temperatura y de reducido período de secado;
a investigar las condiciones de secado que eviten la obtención de un producto
final inútilmente caliente; a favorecer el secado neumático; etc. Se abre, con
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este planteamiento, un amplio campo de investigación a fin de optimizar la
calidad y el coste del secado y, en definitiva, a reducir el consumo energético
vinculado a este proceso.
Fases del secado
Estos fenómenos caracterizan la transferencia de calor y materia y se admite
que toda la resistencia a ésta, que hay que vencer mediante aportación
energética, se sitúa en esa zona de coIchón-límite. Especial importancia tienen
entonces los períodos de transferencia que, en teoría, son tres:
Período 0
:
Adaptación de la temperatura del producto a desecar.
Período I
:
Período de velocidad de secado constante
evaporación superficial del agua libre.
Período II
:
Fase de secado decreciente.
o
de
La aportación del Período 0 es grande en productos de dimensiones
considerables e incide fuertemente en el diseño y elección de un secadero así
como en el sistema energético óptimo. El segundo Período existe mientras
tenga lugar el proceso de evaporación hasta un punto de «contenido crítico de
agua». Las razones del ralentizado del secado en ese período II (de múltiples
subfases y variaciones) están en la ausencia de agua libre de superficie y los
fenómenos de obstrucción de poros (costra) que acompañan en esta etapa
final.
En conjunto, la temperatura del cuerpo se aproxima a la del aire
automáticamente, casi alcanzándola en un período más o menos largo (Fig.
9.5).
Figura 9.5
Figura 9.5
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El cálculo de estos períodos es muy complejo pero necesario pues permite
conocer con exactitud los requerimientos energéticos, en cada momento, para
evitar no sólo el deterioro del producto sino el derroche de energía.
Todo este planteamiento hace referencia a los sistemas de secado por arrastre
isoentálpico y tiene validez, con matizaciones, para el secado por ebullición,
por liofilización o por arrastre no isoentálpico. En cada caso los factores
temperatura y tiempo (básicos para efectuar el cómputo energético) tienen
comportamientos peculiares que influyen decisivamente en el cálculo del proceso de secado y en el diseño del secadero que corresponde.
9.1.4 Transferencia de calor y de masa
Otro de los principios básicos del proceso de secado se refiere al
comportamiento del aire húmedo. El contenido en energía de este aire húmedo
viene dado por la entalpía másica de las mezclas aire-agua. Este contenido,
medible por muy diversos procedimientos, tiene gran interés desde el punto de
vista energético, por definir el entorno de condicionantes externos en los que se
basan los cálculos de recepción de energía recuperable. En esencia, el
fenómeno evaporación que desempeña un papel primordial en el secado, hay
que distinguirlo del clásico de vaporización ya que en aquél, la presión de vapor
del líquido de la superficie húmeda es inferior a la presión total.
Por consiguiente, este fenómeno de evaporación se caracteriza por un
intercambio simultáneo de calor y materia. Debido a la corriente de aire que
pasa sobre la superficie del líquido, el calor se transporta al líquido en
condiciones de evaporación mientras que, simultáneamente, una parte de sus
elementos pasa a la atmósfera en forma de vapor. Es una difusión basada en
un evidente movimiento molecular.
Esta transferencia de calor y materia se produce en el producto y en el medio
que lo contiene. Las leyes de Fourier (donde interviene el gradiente de
temperatura) y de Fick (donde interviene el gradiente de concentración de la
sustancia), regulan, en teoría, la transferencia de calor y la transferencia de
masa que se produce en un medio susceptible de difusión. Sin embargo, estas
leyes no se aplican rigurosamente, ni de forma simple, en la realidad del
secado. Así, la «migración interna de humedad» puede obedecer a razones de
filtración, por presión, si se trata de cuerpos porosos. Esta observación reviste
especial interés pues se relaciona con la posibilidad, ya comentada, de la
reevaluación de los sistemas mecánicos de secado, de menor consumo
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energético, capaces de forzar ese efecto de filtración sin necesidad de
transferir, mediante aportación energética, calor de intercambio.
Por otra parte está el proceso de transferencia de calor y de materia en el aire
que rodea al producto. En la mayoría de los secadores industriales este aire
adquiere un cierto régimen de turbulencia dejando siempre un colchón-límite de
separación, con circulación laminar, como se representa en la Figura 9.6. Esta
masa de aire A’ está en equilibrio de humedad y temperatura con la superficie
del sólido de forma que:
T’ = Ts
i’ = aws
Figura 9.6
El secado por contacto se basa en la propagación del calor por conducción: la
materia se encuentra en contacto con superficies calientes. Se distingue:
a) Secado por vaporización pura (el espacio receptor del vapor no contiene
gas inerte y el calor se difunde sólo por la superficie de contacto).
b) Secado por evaporación (un medio secador aire-vapor aporta un
suplemento de calor al calentamiento en superficie).
En el calentamiento por convección, el calor se transporta por el
desplazamiento de partículas materiales procedentes de líquidos o gases.
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Cuando no existe un soporte material para ese desplazamiento se habla de
propagación por radiación. El secado emplea a menudo los denominados
«radiadores selectivos» que presentan un poder selectivo de absorción de
amplias bandas de espectros energéticos.
9.1.5 TIPOS DE SECADORES
Existe una amplísima gama de secadores; esto se debe a la diversidad de
productos a tratar, de volúmenes a secar y de condicionantes impuestos por el
producto a secar, el fluido secador y el material de composición del secador.
Numerosos autores han descrito y clasificado los diferentes secadores
existentes. Quizás, hasta ahora, entre esos criterios de clasificación y
jerarquización hayan tenido poco peso los relativos al consumo de energía; ello
permite abrir un campo de estudio y clasificación de secadores en base a este
importante criterio. En cualquier caso, y tan sólo a título orientativo, en el
Cuadro 10.1 se recoge la clasificación de Kneule relativa a los secadores
industriales. Sin entrar en la descripción de los mismos, sólo destacar las
variables utilizadas por Kneule para clasificar y analizar los secadores:
Cuadro 10.1
Clasificación de Kneule
a) Tipo de propagación de calor (convección, conducción, radiación y
espirales).
b) Presión utilizada en el proceso (normal o vacío).
c) Movimiento del producto (inmóvil, base móvil, gravedad, etcétera).
d) Corriente de secado (paralela, contracorriente, transversal, etc.).
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e) Aportación de calor (continua, discontinua, de caldera con vapor, directa
con fuel, etc.).
f) Técnicas especiales en cada caso (bandejas, cilindros, tambores, túneles,
bandas, etcétera).
Tienen gran interés desde el punto de vista energético y merecen destacarse,
por cuanto implican desarrollos tecnológicos a tener en cuenta, los secadores
basados en procedimientos especiales de aportación de calor:
Secadores de radiación: Pueden ser hornos de carga intermitente o
túneles de secado y funcionan con o sin desplazamiento de aire. La
base es el cuerpo radiante; recientemente han adquirido gran
importancia los radiadores infrarrojos de cuarzo y los radiadores
oscuros. Tienen gran interés en invernaderos, lacas, tejidos, etc.
Secaderos dieléctricos, basado en la propagación del calor por desprendimiento calorífico interno mediante la generación de campos eléctricos de alta
frecuencia. La aplicación de este principio a ciertos procesos de secado (p. e.:
madera) puede ofrecer notables ventajas energéticas, incrementadas aun si se
realiza al vacío (secado discontinuo al vacío).
Secado por congelación y/o liofilización, entre los que se encuentran las
cámaras de secado, los shell-freezing, los tubos de regulación y los de
pulverización y congelación.
Alguno de los secadores mencionados se han representado en la Figura 9.7.
Finalmente debe hacerse mención a un amplio número de procedimientos
especiales de aportación de calor: secado rápido a alta temperatura, secado
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por vapor sobrecalentado, aplicación de gases de combustión como agentes de
secado y utilización de aceites, productos químicos y disolventes en caliente,
como agentes de secado.
9.2
GENERACIÓN DE GASES CALIENTES CON GAS NATURAL
La disponibilidad de gases calientes limpios para el secado resulta un factor
fundamental para la mayoría de formas y tecnologías de secado industrial. El
gas natural, constituido fundamentalmente por metano y prácticamente sin
impurezas, representa una ventaja formidable en este campo, por razones de
carácter económico, técnico y ecológico :
El metano es una molécula perfecta (CH4), su combustión es perfecta y sus
productos de combustión también son moléculas perfectas (CO2 y H2O) que
son también constituyentes del aire atmosférico (Figura 9.8).
Figura 9.8
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La limpieza del gas natural, conformado exclusivamente por metano y etano,
su facilidad para asegurar una combustión completa y la composición de sus
gases de combustión, permiten asegurar la utilización directa de dichos gases
con una proporción adecuada de aire de dilución en cualquier proceso de
secado.
En la Figura 9.9 se muestra objetivamente la factibilidad de disponer de aire
caliente para cualquier tipo de secador por arrastre o ebullición, mostrando que
los componentes de la reacción de combustión del metano, al diluirse con aire
(5 a 1), constituyen, prácticamente, aire caliente.
Figura 9.9
Al efectuar la dilución con una proporción de 5 : 1 aire – gases, el resultado
tendrá una composición muy parecida al aire, siendo la única diferencia una
ligeramente mayor proporción de CO2 y H2O que constituyen elementos inertes
en el proceso de secado.
Se utilizan principalmente dos sistemas para disponer de gases calientes para
secadores industriales: Generadores de Calor, gases de combustión con aire
de dilución, y Calentamiento de aire en ductos, utilizando quemadores en línea
tipo vena de aire.
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9.2.1 Generadores de calor
Estos equipos también llamados Boosters o Muflas en la práctica industrial
están constituídos por un sistema de combustión en hogares similares a los de
calderos pirotubulares, rodeados por ua chauqeta con aire ventilado. La
regulación de gases de combustión y aire de dilución permite regular la
temperatura de los gases en los niveles exigidos por cada sistema particular de
secado.
La utilización de gas natural permite manejar temperaturas moderadas en los
gases de combustión para mantener el ducto interior sin revestimiento
refractario, manteniendo combustión completa. Aunque el aire de dilución
mantiene refrigerada la chapa interior, puede resultar conveniente inyectar
parte del aire por la parte interna, rodeando la llama; este diseño resulta
indispensable con combustible líquidos, debiendo instalarse en caso de utilizar
quemadores duales.
En la Figura 9.10 se muestra un generador de gases calientes para secado muy
simple, en el cual el aire de dilución es succionado por el tiro del sistema del
secador. En este equipo, la temperatura de los gases para el secador se
regulan con el flujo de gas natural en el quemador y la regulación del tiro-
Figura 9.10
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En la Figura 9.11 mostramos un equipo similar en cuanto al trabajo realizado,
pero totalmente automatizado. El aire de dilución es aportado por un ventilador
ubicado en la parte superior y la mezcla se produce por tiro forzado,
regulándose la temperatura y el flujo de aire mediante un sistema feed back
que alimenta un PLC que control automáticamente los parámetros de cotrol
operativo del secador.
Figura 9.11
Generador de suministro controlado de gases para secado
9.2.1 Calentamiento en línea
El calentamiento del aire impulsado por ventilador se efectúa directamente en
el interior de los ductos de transporte, regulando la temperatura de los gases
mediante la modulación del aporte de combustible y combustión. Esta
posibilidad resulta muy práctica y efectiva para disponibilidades moderadas de
aire caliente y niveles igualmente moderados de calentamiento y secado,
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En la Figura 9.12 se muestra un sistema completo, con su propio ventilador,
que constituye un ―cañón de gases calientes utilizables para cualquier sistema
de secado, la regulación del flujo de gas al quemador tipo ―vena de aire‖
permite regular la temperatura. El volumen total d egase s puede regularse con
un dámper en la descarga del ventilador y/o mediante un convertidor de
frecuencia que regule las revolciones del motor.
Figura 9.12
Cañón de gases calientes para secado
Para implementar este sistema en
instalaciones que utilizaban
radiadores de aceite térmico, resistencias eléctricas y otros sistemas de aporte
térmico, conservando el ventilador y los ductos existetes, se implementan en el
interior de los ducto un quemador en vena de aire como el que se muestra en
la Figura 9.13. Estos sistemas pueden trabajar con Gas Natural o GLP, con los
quemadores adecuados.
Figura 9.13
Quemador en Vena de Aire
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9.3
APLICACIONES INDUSTRIALES DE SECADO DIRECTO CON GAS
NATURAL
Figura 9.14
Limpieza del Gas Natural
permite secado directo
La limpieza de los gases de combustión del gas natural establece la posibilidad
de secado directo, siempre conveniente desde el punto de vista energético.
Las principales ventajas del secado directo son las siguientes:
•
Inversiones inferiores a cualquier otra solución técnicamente equivalente.
•
Rendimiento térmico elevado y sin pérdidas en el transporte del fluido.
•
Funcionamiento posible a temperaturas más elevadas que con el vapor.
•
Posibilidad de aumento y mayor homogeneidad de la transmisión de calor
respecto a los productos a tratar.
•
Control de temperaturas más exacto y posibilidad de modificación de
temperaturas más rápida durante el ciclo.
•
Espacio compacto reducido.
Entre los procesos de calentamiento directo por quemadores en corriente de
aire, podemos destacar los siguientes:
9.3.1 Ventilación atemperada de locales industriales (Climatización).
En algunos procesos industriales, tales como la fabricación de sanitarios y
otros productos cerámicos, el secado debe realizarse en forma muy lenta, lo
que se consigue con el movimiento de las piezas en el interior de un ambiente
industrial cerrado y climatizado, utilizando aire precalentado en forma indirecta
en equipos que utilizan como fuente térmica combustibles líquidos. Estos
equipos deben instalarse fuera de l a sala de secado, para evitar la
contaminación con gases de combustión con presencia de inquemados ,
cenizas y volátiles peligrosos, conduciendo el aire calentado mediante
intercambiadores aire – gas a través de ductos que introducen el aire caliente
en diferentes puntos de el local, utilizando el tipo de ductos que se muestran en
la Figura 9.15 y sistemas de extracción natural y/o artificial adecuados-
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Figura 9.15
Ductos de distribución de aire
caliente
La disponibilidad de gas natural permite
utilizar directamente para climatización los gases de combustión mezclados
con aire de dilución y además, ubicar el sistema en el interior de la nave
industrial, lo que permite, adicionalmente, aprovechar las pérdidas por
convección y radiación. En la Figura 9.16 se muestra el equipo adecuado para
cumplir esta función
La parte esencial del equipo es el quemador, que debe comprender ciertos
dispositivos de seguridad que garantizan y protegen al personal y los productos
de las consecuencias de incidentes eventuales de funcionamiento:
•
Detector de llama, a tiempo de respuesta rápida, destinado a cortar el gas
caso de fallo del encendido o de paro imprevisto de la combustión;
•
Presostatos de presión, destinado a mantener el caudal de gas entre los
límites de seguridad impuestos;
•
Termostato de máxima sobre la temperatura de la mezcla aire-productos de
combustión, para evitar todo riesgo de sobre-calentamiento accidental, sea
por exceso de gas o por insuficiente caudal de aire;
•
Dispositivo de enclavamiento del encendido del quemador, a la puesta en
servicio
del ventilador de la corriente o vena de aire.
Figura 9.16
Generador de aire caliente para climatización de equipos y naves industriales.
Las ventajas del sistema pueden resumirse como sigue:
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•
Economía de combustible de 25 a 40 %,
•
Reducción del coste de mantenimiento superior al 50 %,
•
Disminución de 35 a 50 % en la inversión global de la instalación,
•
Mínimo espacio ocupado y rápida puesta en régimen.
Además de la ventilación de grandes locales industriales, el procedimiento es
indicado para establecer cortinas de aire caliente, para renovación de aire en
las cabinas de pintura, para locales comerciales, etc.
9.3.2 Secado directo de alimentos y productos agrícolas e industriales
La posibilidad del secado directo con aire calentado con gases de combustión
limpios permite reemplazar el uso de sistemas de calentamiento de aire
utilizando vapor o aceite térmico, disminuyendo considerablemente la
complejidad de operaciones y costos de producción. Este procedimiento
encuentra aplicación especialmente para el secado de la malta, la alfalfa y los
granos (maíz, trigo, centeno, etc.), fabricación de leche en polvo por
atomización en la corriente de aire caliente, etc.
Su aplicación resulta particularmente importante en el campo de la
agroindustria, en la cual las normas y controles de calidad resultan menos
exigentes que en la industria alimentaria. Algunas aplicaciones típicas en este
campo: secado de páprika, arroz cáscara, hojas de tabaco, cochinilla, tara, etc.
Para alcanzar temperaturas de 180 0C a 200 0C, compatibles con las
exigencias del secado por atomización, el vapor, en caso de calefacción indirecta del aire, debe alcanzar presiones del orden de 14 a 20 bares, como
resulta del cuadro adjunto:
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Temperatura del
aire secado
100°C
150°C
200°C
250°C
300°C
Temperatura del
vapor (saturado)
125 -150 °C
175 - 200°C
225 - 250°C
275 - 300°C
325 – 350°C
Presión del vapor
(saturado)
1,5 - 4
8 - 15
25 - 40
60 - 86
122 -168
bares
»
»
»
»
Para esta aplicación es posible obtener economías de un 20 a un 30 % en
inversiones para caudales de aire de más de 30000 kg/h y rendimientos
superiores del 20 al 25 %.
Otro ejemplo interesante es el de fabricación de un concentrado en proteínas a
partir de residuos de pescado. A partir de éstos se prepara un hidrolizado de
proteínas solubles, que se precipitan por atomización. En la Figura 9.17 se
muestra la sustitución de todo el sistema de suministro de aire caliente
mediante un circuito completo de aceite térmico que resulta totalmente
reemplazado por la instalación de un simple, práctico y efectivo quemador de
has natural en vena de aire.
Figura 9.17
Sustitución del Circuito de Aceite Térmico por un Quemador en
Vena de aire para secado en la industria pesquera
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En el secado industrial podemos citar el secado de ladrillos y piezas cerámicas
crudas, en donde el quemador se incorpora a la corriente de los gases y aire
procedentes de la combustión en el horno, con lo que, de esta forma, puede
recuperarse su calor. Debe también señalarse el secado de textiles
estampados y del papel en curso de fabricación.
9.3.3 Incineración de efluentes combustibles
En algunos procesos de secado de materiales que necesitan ser pintados y/o
revestidos con sustancias que les confieran características especiales se
liberan por volatilización elementos hidrocarburados que no pueden ser
emitidos a la atmósfera.
Para cumplir las normas establecidas, deben instalarse incineradores (Figura
9.18)que mediante procesos de combustión los convierten en materiales inertes
: CO2 y H2O que constituyen los gases de combustión de cualquier
hidrocarburo. En la misma forma, podrán ser eliminados los hidrocarburos que
puedan volatilizarse de cualquier material en proceso, tales como solventes y
lubricantes..
Figura 9.18
Incinerador de efluentes combustibles
La incineración se efectúa por combustión
directa a 700 – 800°C, o bien por combustión
catalítica hacia 350 – 400°C.
Esta última depende de la posibilidad de
envenenamiento del catalizador y de su regeneración. El quemador en
corriente de aire permite una homogeneización de temperatura muy rápida al
nivel del quemador, de forma que la longitud de la cámara de combustión es
menos importante que en otras técnicas, donde la homogeneización tiene lugar
en la cámara.
Para contenidos de oxígeno superiores a 18 % en los efluentes, la dilución de
los solventes es suficiente para que aquellos (a menudo a temperatura de
100°C) puedan servir de comburente en la incineración. Para contenidos más
bajos, es necesario un aporte suplementario de aire (oxígeno).
Como empleo de incineración de efluentes podemos citar el caso de las
imprentas (offset), de las instalaciones de secado y cocción de lacas, barnices
y pinturas, etc.
El disponer de gas natural, además de representar ventajas técnicas,
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económicas y ecológicas en este proceso, permite considerar la posibilidad de
aprovechar el poder calorífico de los efluentes para calentar el aire de secado
del proceso, utilizando equipos con diseños especiales y la utilización de
quemadores especiales que permiten mantener la combustión con altos niveles
excesos de aire (Figura 9.19)
Figura 9.19
Regenerador de efluentes combustibles para calentamiento de aire
9.3.4 Hornos industriales a fuego directo
En la industria existen muchos tipos de hornos de fuego directo, pero cuando
se utilizan combustibles líquidos o sólidos, con impurezas y presencia de
inquemados que pueden afectar el proceso y/o el producto, se deben
implementar sistemas de y aporte térmico indirecto que resultan menos
eficientes y más costosos. En algunos casos, puede utilizarse aditivos
inhibidores de corrosión y otros efectos negativos.
La combustión del gas natural permite disminuir sensiblemente la importancia
de las cámaras de combustión, e incluso eliminarlas completamente,
repartiendo el caudal calorífico en múltiples quemadores situados en los
lugares más favorables. Es el caso de los hornos túnel de cocción de cerámica
y de porcelana a fuego directo, equipados de quemadores múltiples situados
en las paredes y en la bóveda.
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Se pueden igualmente adoptar quemadores radiantes a alta temperatura, como
los descritos en el capítulo de los quemadores intensivos, los cuales aportan la
energía calorífica a la carga del horno por radiación, así como quemadores de
gran velocidad de salida de los productos de combustión o quemadores «jet»,
que activan fuertemente la transmisión de calor por convección.
Otros hornos recurren a técnicas específicas diferentes de las utilizadas para
otros combustibles, por ejemplo: los hornos de fusión en metalurgia, la
fabricación de hierro fundido en hornos cuba a gas sin coque, la fabricación de
cal, la calcinación a fuego directo, la producción de cromato sódico, el
termofijado y el secado de tejidos, etc.
Finalmente, existe en muchos casos la posibilidad de equipar los hornos con
recuperadores continuos de calor para precalentar el aire, teniendo en cuenta
que sus productos de combustión no son corrosivos ni cargados de hollín o
polvo.
En hornos tales como el que se muestra en la Figura 9.20 para calentamiento
de palanquillas de acero para laminación, al utilizar combustibles líquidos con
el exceso de aire mínimo necesario para asegurar combustión completa, el
oxígeno presente en la atmósfera del horno produce la oxidación del acero y la
consiguiente formación de cascarilla que además de constituir pérdida de
producto, complica la continuidad operativa y mantenimientos del propio horno
y de los sistemas posteriores de laminación.
La combustión de Gas Natural con niveles mínimos de oxígeno, inferiores a
1%, facilita el control de la atmósfera interna del horno, favorece el proceso, la
calidad del producto, la limpieza en la laminación y disminuye
considerablemente los costos de fabricación.
Figura 9.20
Horno de calentamiento de palanquillas de acero
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9.3.5 Calentamiento de líquidos por combustión sumergida
En la combustión sumergida, los líquidos se calientan por contacto directo con
los productos de combustión generados por el quemador, el cual penetra
directamente en el líquido.
El intercambio térmico es tan rápido que los productos de combustión
abandonan el líquido por su superficie a la temperatura de este último. Estos
productos salen cargados de los productos volátiles del líquido. Por el
contrario, éste puede disolver los compuestos solubles (principalmente el
anhídrido carbónico CO2).
Los productos de combustión emergen saturados, puesto que la cantidad de
agua de saturación de los productos de combustión aumenta con su
temperatura. Ello tiene las siguientes consecuencias:
•
A cierta temperatura (55°C para el gas natural), la cantidad de agua
producida por la combustión equivale a la cantidad de agua de saturación.
El rendimiento respecto al P.C.I. (poder calorífico inferior) es del 100 %;
•
A temperaturas inferiores, parte del agua producida por la combustión se
condensa en el baño, recuperándose su calor de vaporización. El
rendimiento respecto al P.C.I.F resulta superior al 100 %;
•
A temperaturas superiores, se produce el fenómeno contrario. Hay
evaporación de agua del baño para saturar los productos de combustión y
ello de forma creciente con la temperatura, hasta una temperatura próxima
a los 90°C, para la cual todo el calor desprendido por los productos de
combustión se emplea en evaporar el agua de saturación. A dicho límite, el
rendimiento en relación al P.C.I. es nulo y no es posible aumentar la
temperatura del líquido, por lo que conviene no sobrepasar los 80°C si se
desea conservar un valor aceptable del mismo.
Los quemadores de combustión sumergida, de los que existen numerosos
modelos y de los que hemos representado un tipo en el capítulo de
quemadores, se utilizan para el calentamiento de baños de decapado, para la
concentración de soluciones, calentamiento de piscinas y de grandes
cantidades de agua, producción de atmósferas saturadas de agua, regulación
de reacciones químicas, etc. (Figura 9.21)
Figura 9.21
Quemador para
combustión sumergida
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9. 4
GAS NATURAL EN SECADORES DE PULPA PRENSADA
La industria de la pulpa
prensada
proporciona
los
envases para protección de una
importante variedad de productos que deben protegerse para su
comercialización y/o exportación, utilizando papel reciclado debidamente
procesado y acondicionado con el aglutinante conveniente para preparar
una pulpa con la consistencia y características adecuadas para ser
prensada, utilizando moldes metálicos minuciosamente diseñados y
fabricados.
Al quedar conformada la bandeja o envase, tendrá un contenido de
humedad todavía elevado (75-80%), que deberá ser eliminada para
conformar el producto final con las características de forma y consistencia
más adecuadas para su almacenamiento, manipuleo y utilización.
9.4.1
Caracterización del producto a secar
Para definir las condiciones y parámetros de secado de las bandejas se
deben tomar en cuenta el material de las mismas y los aditivos que se
utilizan para aglomeración (colas), la forma de las bandejas y su nivel de
exposición al flujo secador, la calidad del prensado y su acondicionamiento
térmico.
Las bandejas están constituidas básicamente por celulosa, la cual tiene un
excelente comportamiento en cuanto a su curva de sorción (facilidad con la
que se desprende la humedad contenida.
En cuanto a la cola que se utiliza como aglutinante, solamente debe
asegurarse que tenga un punto de ebullición superior a la temperatura de
operación para evitar que se volatilice en el interior del secador y luego se
condense en la atmósfera, provocando contaminación y riesgos por zonas
resbalosas, al acumularse en el piso.
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Respecto a la forma de las bandejas, los apropiados diseños utilizados
permiten un excelente nivel de contacto entre el material y los gases de
secado, favoreciendo el arrastre de la humedad.
La permanente preocupación por perfeccionar el diseño mecánico y el
control operativo de la prensas ha producido un resultado formidable en la
mayoría de plantas que conocemos, habiendo llegado a optimizar su
funcionamiento, disminuyendo el contenido de humedad a niveles bastante
adecuados..
9.4.3 Descripción del Proceso que se desarrolla en el Secador
El proceso de secado que se produce en los secadores de bandejas de
pulpa prensada es por ebullición y arrastre; lo que significa que debe
calentarse la bandeja por encima de 100°C para que se produzca la
ebullición del agua contenida
En el desarrollo del proceso podemos considerar y caracterizar las
siguientes etapas:
Etapa 1: Calentamiento
Al ingresar las bandejas húmedas (70%) y relativamente frías (50°C) al
secador se inicia una primera etapa en el secador: Calentamiento. En
esta etapa el requerimiento de calor es limitado ( 50 kcal/kg de pulpa
húmeda), porque solamente se consume en la elevación de la
temperatura de las bandejas (calor sensible).
En forma equivocada, en algunos secadores se inyecta mucho
combustible en los quemadores ubicados esta zona, lo que produce
muchas pérdidas de calor al exterior y podría ocasionar problemas en la
estabilidad de las bandejas si se llega a calentar exageradamente,
provocando la brusca evaporación del agua; debemos recordar que al
vaporizarse el agua aumenta 500 veces su volumen para entender
porque debe producirse en forma lenta y gradual en el secado
Cuando el sistema de calentamiento es con calentamiento exterior, en
los secadores modernos, la distribución de calor que ingresa por la
parte opuesta, determina que esta zona resulte la de menor
concentración térmica, lo que resulta apropiado.
Etapa 2: Vaporización
Para entender correctamente lo que sucede en esta etapa resulta
necesario considerar que siempre se produce una migración de
humedad de las bandejas al aire, siendo la única excepción el punto de
equilibrio entre las presiones parciales de la humedad del aire y el
material, lo que se produce cuando las bandejas tienen alrededor de un
7% de humedad y condiciones normales de presión y temperatura. En el
interior del secador, lo que realmente sucede es que se produce un
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desplazamiento muy lento de la humedad (secado) que se agudiza a
medida que se eleva la temperatura de la bandeja. En esta etapa, al llegar
la bandeja a temperaturas más altas se acelera la transferencia de masa
de agua desde las bandejas a los gases circulantes, llegando a depender
el secado de la capacidad de los gases para seguir recibiendo humedad
que se vaporiza, pudiendo llegar a saturarse si no circulan con la
velocidad necesaria.
En esta etapa se consume la mayor cantidad de calor; en secadores que
tengan quemadores distribuidos se tendrá que inyectar la mayor
cantidad de combustible.
En los secadores con fuente de calor externa, se mantienen las
condiciones térmicas, dependiendo el proceso de la velocidad con la
que viajan las bandejas; debe apreciarse en estos últimos secadores
con varios pases de bandejas, que el diseño considera los primeros
pases de las bandejas por la parte superior, donde se mantienen las
condiciones de temperatura más altas, al inyectarse y orientarse los
gases calientes de arriba hacia abajo, por donde se extraen gases más
fríos y húmedos.
Tercera Etapa: Secado
Podemos denominar como secado a esta etapa, porque la
caracterizamos por la disminución de humedad de las bandejas hasta
niveles mínimos, produciéndose el desplazamiento de humedad
principalmente por arrastre. Esta etapa resulta más lenta, siendo
necesario alargarla debido a que la humedad migra cada vez con menos
facilidad; así puede comprobarse observando la curva típica de secado
(Anexo 1).
Para cada secador se debe construir la curva de secado, tratando de
orientarla hacia la curva típica, en la cual se conseguirán los mejores
resultados de producción y eficiencia, manteniendo la calidad y
rechazos mínimos en las bandejas.
Cuarta Etapa: Estabilización
Esta última etapa en el secador consiste básicamente en la zona que
permanece la bandeja prácticamente seca sin exposición al calor, en
contacto con el aire atmosférico, por lo que también podría llamarse de
enfriamiento.
Tomando en cuenta que la disminución de humedad podría alcanzar
valores inferiores al punto de equilibrio (7%), a medida que se enfrían
las bandejas en contacto con el aire, se estabilizará el equilibrio entre las
presiones de vapor de las bandejas y el aire, dependiendo esta
condición también de la humedad relativa del aire atmosférico.
También en esta etapa se realiza el control de calidad de salida de las
bandejas del secador, permitiendo comprobar directamente si el
proceso de secado se ha desarrollado correctamente. El arqueado de
las bandejas o el quemado de las puntas, indican un secado excesivo en
el interior del secador; humedad residual y cierta falta de rigidez de las
bandejas, secado insuficiente.
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9.4.4 Termofluidodinámica del proceso
La transferencia de calor en el interior del secador se produce
principalmente por convección, entre los gases calientes y las
bandejas húmedas e inevitablemente las parrillas; en menor
proporción se transfiere calor por conducción, entre la parte más
expuesta al calor de las bandejas y alguna parte fría y entre las
parrillas y las bandejas en contacto con las mismas, en razón de que
el material metálico de las bandejas calienta más rápidamente que las
bandejas. .
Para favorecer este proceso resultan de importancia los siguientes
factores:
Diferencial de temperatura entre gases y bandejas
Nivel de turbulencia de los gases dentro del secador
Superficie de bandejas expuestas al contacto con los gases en
movimiento
La transferencia de masa resulta la operación más importante por
constituir el secado mismo. La transferencia de masa de agua desde
la bandeja a los gases calientes se favorece en la medida que se
incrementa la temperatura de la propia bandeja y también del aire; en
el primer caso el agua tiende a desprenderse de la bandeja; y en el
segundo, por aumentar la avidez del aire para arrancar el agua de la
bandeja. Los límites termodinámicos para ambas temperaturas los
representan aquellos que representan la posibilidad de efectuar la
transferencia de masa con tanta violencia que afecten la estructura
de la bandeja.
La mecánica de fluidos que se maneja dentro de los secadores tiene
mucha influencia sobre la eficiencia y rendimiento térmico del
secado.
Podemos establecer los factores que revisten mayor influencia sobre
la calidad del proceso:
El factor de mayor importancia es el aislamiento del secador
respecto al medio exterior. En la medida que se pueda conseguir
el mayor nivel de hermetización del secador se podrá
conseguirlos mejores rendimientos térmicos del sistema.
Recirculación de gases: La capacidad de los gases para captar
humedad se mantiene casi inalterable por los bajos niveles de
contenido de humedad que alcanzan, por lo cual pueden
mantenerse altos niveles de recirculación de gases, desechando
solamente una mínima proporción que será reemplazada por aire
fresco. Al establecer un equilibrio entre la humedad contenida en
los gases que se eliminan y la que se extrae de las bandejas, se
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logrará una condición de operación ideal del sistema, por lo cual
resulta tan importante la continuidad operativa de los secadores.
Orientación de los gases: En la mecánica de fluidos que se
maneja dentro del secador la convección reviste gran importancia.
Tomando en cuenta que los gases calientes tienen siempre la
tendencia a subir, en los secadores la tendencia natural será el
ingreso de los gases calientes por la parte baja de las cámaras de
secado, transcurriendo los gases hacia arriba por convección a
través y en contacto con las bandejas. Para conseguir mayores
niveles de contacto y aprovechamiento se tendrá que invertir
energía en forma de impulso, para forzar un arreglo diferente de
uno o varios pasos. La tendencia en los secadores modernos es
introducir los gases por la parte superior en forma controlada ,
impulsando la salida por la parte baja.
9.4.5 Las ventajas del uso de gas natural como combustible en este tipo
de secadores
Las características descritas de este tipo de secadores y los factores
que se
manejan para optimización del proceso de secado permiten
establecer la
conveniencia de utilizar gases circulantes con la limpieza,
manejo y facilidad de
regulación que permite la combustión del gas natural
diluido con aire igualmente
limpio de reposición.
Dependiendo del tamaño del secador, podría utilizarse un quemador en
vena de aire que introduzca el aporte térmico mínimo requerido para
mantener las temperaturas previstas para cada sector y etapas del
proceso (Figura 9.22).
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Figura 9.22
Quemador de Gas Natural en vena de aire
Para instalaciones de mayor capacidad resultará necesario instalar un
generador de calor
que constituye el motor de un circuito cerrado circulante en el cual solamente
serán eliminados al ambiente los gases que se encuentren cercanos al punto
de rocío, en el punto inmediatamente antes de volver a ingresar al generador,
donde volverán a recibir calor, desplazando su punto de equilibrio de presión
de vapor, recuperando su capacidad de secado. La limpieza perfecta de los
gases calentados con gas natural permitirá instalar sensores que permitan este
sistema control totalmente automatizado.
En el Diagrama de la Figura 9.23 se presenta el Diagrama de un Sistema de
Secado que funcionando con gas natural, permite el aprovechamiento adicional
de los gases de salida para precalentar agua, incrementando la eficiencia
global del circuito.
Resulta indispensable para mantener un control operativo permanente en los
máximos niveles de eficiencia, disponer siempre de un Balance de Materia y
Energía.
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Figura 9.23
Diagrama Secador
Intercambiador
de calor.
LPG.
Agua Fría
Ventilador de
Combustió
Combustión
Campana
―Top Channel‖
Agua Caliente
Quemador
Ventilador
Circulador
Ventilador
Circulador
―Bottom Channel‖
9.5
MÁQUINAS RAMA CON GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA TEXTIL
El secado y otras operaciones que se realizan en máquinas Rama en la
industria textil exigen calor limpio y un buen control termodinámico, lo cual
exige el uso de aire caliente o gases de secado producidos con combustibles
limpios, tales como el GLP y el Gas Natural; la utilización del primero tendrá
que evaluarse en términos económicos, la disponibilidad de gas natural es una
oportunidad que no se puede desperdiciar en ningún caso.
Una máquina Rama a convección forzada se compone de varios
compartimientos idénticos, de una longitud aproximada de 3 m, incluyendo
cada uno su propio dispositivo de calefacción y ventilación. Las máquinas
Rama asocian al efecto térmico una acción mecánica de estirado transversal
del tejido, cuyos bordes se sujetan lateralmente mediante unas pinzas
arrastradas por dos cadenas sin fin, que permiten la traslación del tejido en un
plano horizontal (Figura 9.24).
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Figura 9.24
Máquina Rama
Uno de los equipos
más importantes de la
Industria Textil
La zona de combustión del gas se encuentra siempre en depresión con
respecto al recinto calentado, depresión motivada por los ventiladores de
barrido. La combustión se realiza, bien sea en el interior de tubos perforados de
acero refractario o bien directamente en una vaina de aspiración de aire fresco
y atmósfera reciclada.
Existen dispositivos especiales que permiten efectuar el calentamiento directo o
indirecto a voluntad del usuario. Un registro especial permite evacuar los
productos de la combustión al exterior, a través de una chimenea, o bien
introducirlos, total o parcialmente, en el interior de la Rama.
La potencia térmica requerida varía entre 120 y 200 termias/h por
compartimiento, según sean los tratamientos a realizar y el peso por metro del
tejido a tratar. Se consigue dicha potencia por medio de un número variable de
quemadores, así como por distintos sistemas de alimentación. La regulación
automática de la temperatura se realiza individualmente para cada uno de los
compartimientos a través de las indicaciones de un detector situado
generalmente frente a los ventiladores de barrido.
Las ventajas del calentamiento directo a gas natural son de orden técnico y
económico.
Ventajas de orden técnico:
Espacio reducido: El espacio en una Rama para la cámara de combustión
de gas es mucho menor que el del intercambiador correspondiente, lo cual
facilita la adaptación de equipos de calefacción directa a gas en los aparatos existentes.
Gran flexibilidad térmica: la instalación de potencias caloríficas altas, unido
a la baja inercia térmica del dispositivo de calentamiento, permiten obtener
una rápida variación de temperatura en la cámara de tratamiento, disminuyendo con ello los riesgos de deterioro de tejidos.
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Simplicidad de construcción y funcionamiento; la construcción de los
aparatos se simplifica por la supresión de vainas, chimeneas,
intercambiadores, etc., necesarios en el calentamiento indirecto.
Ventajas de orden económico:
•
Gastos de inversión reducidos: la simplicidad del procedimiento permite
reducir notablemente los gastos, tanto en la adquisición de nuevos
aparatos como en la adaptación de los existentes.
•
Gastos de mano de obra bajos: los gastos de explotación imputables al
calentamiento a gas son prácticamente nulos, en razón del automatismo
de los equipos.
•
Consumo reducido: el consumo de combustible es extremadamente
reducido, ya que los productos de la combustión del gas contribuyen
íntegramente al calentamiento de la máquina.
•
Gastos de entretenimiento mínimos: los gastos de entretenimiento de los
quemadores son prácticamente nulos, así como los de limpieza y
conservación de las partes mecánicas internas del aparato, debido a la
combustión completa del gas.
•
Mejora de la productividad: la potencia y baja inercia térmica de los
equipos de calentamiento directo a gas permiten variaciones rápidas de
temperatura, reduciéndose los tiempos muertos que separan las
operaciones sucesivas efectuadas a distintas temperaturas, pudiéndose
incrementar el número de tratamientos durante una misma jornada.
Ejemplo:
Tratamiento de textiles
Los textiles de todas clases, naturales, artificiales y sintéticos, excepto la lana,
son tratados en una planta donde se procede a su blanqueo, tinte y apresto. La
capacidad de tratamiento es de 500 piezas de 100 m de longitud por día.
El equipo está diversificado en función de los tratamientos realizados, y los
aparatos están calentados con vapor, electricidad y gas natural. Aparte de las
instalaciones de lavado y tinte, que no describimos aquí, la fábrica está provista
de los elementos térmicos siguientes:
1 máquina Rama de calentamiento mixto vapor y gas;
1 «Hot-Flue» calentado por vapor y electricidad;
1 presecador calentado por gas mediante paredes radiantes.
Finalmente citaremos otros diversos materiales calentados por gas, pero de
menor importancia: 2 mercerizadoras, 1 estampadora, 1 flameadora.
Vamos a discutir someramente la Rama y el presecador.
La Rama está formada por la yuxtaposición, en longitud, de cuatro
compartimientos idénticos. El primero está calentado sólo por vapor, mientras
que cada uno de los tres siguientes está equipado, a la vez, de tubos de vapor
con aletas y de quemadores de gas.
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Para el secado hasta 160-165 0C el calentamiento se hace sólo con vapor, pero
para los tratamientos térmicos de fibras sintéticas hasta 220 0C, el
calentamiento es mixto: vapor y gas. El calentamiento únicamente con vapor
puede evaporar 810 kg/h.
La Rama trabaja por convección forzada de aire caliente o, en la marcha mixta,
por una mezcla de aire caliente y productos de combustión de gas. Cada
compartimiento está equipado de 8 ventiladores de reciclado, a razón de 4 por
cada lado (Figura 9.25), montados sobre un eje único y accionados por un
motor de velocidad de transmisión por polea. Cada compartimiento lleva dos
puntos de extracción, a excepción del primero, que lleva solamente uno. Los
ventiladores de reciclado descargan sobre un cambiador de calor formado por
tubos de aletas, por las cuales circula el vapor. La corriente de aire pasa
después por un conducto formando cámara de combustión del quemador,
mezclándose con los productos de combustión de éste.
Cada uno de los tres últimos compartimientos de la Rama está equipado de
dos quemadores antorcha, colocados cada uno en la cámara de combustión
por donde circula el aire de reciclado. La potencia total del equipo térmico de
gas es de 360 termias (calculado en P.C.I.).
Figura 9.25
Esquema de la Rama con indicación del sistema de calentamiento y
situación de los puntos de extracción
Cada quemador antorcha está alimentado con premezcla de aire y gas,
producida en una máquina mezcladora. El quemador se enciende por un piloto
alimentado igualmente con premezcla. Este piloto lleva un termopar de
detección de llama que actúa sobre la válvula de mando electromagnético de la
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válvula neumática de seguridad del circuito del quemador (Figura 9.26).
La válvula motorizada de regulación de mando electromagnético está
accionada por un galvanómetro indicador y regulador de temperatura,
conectado a un termopar situado en el conducto de aire, después del
quemador que, por diferencia con una temperatura de consigna, permite la
regulación en tres etapas: todo, progresivo y nada (paro de quemadores).
Dicha válvula motorizada está situada en el circuito de aire del quemador, y la
presión del aire detrás de dicha válvula actúa sobre una válvula neumática de
regulación situada en el circuito de gas. El funcionamiento del quemador está
supeditado al de los motores de los ventiladores de extracción y a la presión de
alimentación de gas detectada por un manostato de máxima y mínima.
Figura 9.26
Esquema de alimentación de aire y gas de un quemador Rame
Aparte de la regulación de temperatura utilizada en el calentamiento mixto
vapor y gas, la Rama está equipada de un sistema de regulación de la
velocidad de paso del tejido, en función de la humedad residual a la salida, y
que funciona incluso en el caso de calefacción sólo por vapor. El órgano
detector es un psicómetro palpador que mide la resistividad eléctrica del tejido
húmedo actuando sobre un motor de velocidad variable que permite una
variación de paso entre 20 m/mm y 100 m/mm, con aceleración lenta y
desaceleración rápida.
El presecador colocado antes de la «Hot-Flue» permite bajar la humedad del
tejido de 100 a 30 % y tiene una capacidad de evaporación de 180 kg de agua
por hora.
Completamente calentado por gas, el presecador está equipado con 56
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paneles radiantes. La transmisión de calor se efectúa en su mayor parte por
radiación infrarroja, pero también en parte por convección del aire caliente y de
los productos de combustión del gas. Estos últimos se evacuan mediante un
ventilador de extracción.
La velocidad de paso se regula en función de la de paso por la «Hot-Flue». La
regulación de temperatura se hace por «todo o poco», en función de la
medición de temperatura del aire caliente por termopar, que accíona una
válvula de mando electromagnético sobre un by-pass de la alimentación en gas
de los paneles radiantes.
La llegada del gas está condicionada al funcionamiento del extractor. Los
paneles se encienden por resistencias eléctricas y no llevan detector de llama.
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CAPITULO
10
GAS
NATURAL
EN
SIDERURGIA
La Metalurgia es la ciencia y la técnica que permite la
extracción y procesamiento de minerales contenidos en la
naturaleza para la obtención y acondicionamiento de metales
para su empleo en diferentes usos en los diversos sectores
productivos.
Cuando se refieren a la obtención y procesamiento del Hierro
para producción de acero, se denomina Siderurgia.
En estas actividades industriales, el gas natural encuentra el
mayor número y la mayor diversificación de aplicaciones, en las
cuales se valoran al máximo sus cualidades específicas, debido
a la variedad y complejidad de operaciones de calentamiento y
procesos pirometalúrgicos que involucran diferentes aspectos
termodinámicos. Todos los problemas térmicos que se plantean
pueden justificar su empleo en forma individual y/o combinada
con otros combustibles y las propias reacciones exotérmicas de
los procesos.
10.1 GAS NATURAL EN HORNOS TUBULARES DE HIERRO ESPONJA
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El sistema de reducción directa fue desarrollado por HYLSA en México como
resultado de la elevación de los precios de la chatarra, como consecuencia de
la guerra de Corea. La denominación de Hierro Esponja se debe a la apariencia
del hierro metálico producido por reducción directa del contenido de oxígeno
del concentrado de mineral de hierro que se alimenta en forma de Pellets.
En el proceso del hierro esponja en hornos tubulares, la proporción de oxígeno
que se encuentra combinada químicamente con el hierro en el mineral se va
reduciendo paulatinamente gracias a la acción de una mezcla de hidrógeno
(H2) y monóxido de carbono (CO), que se inicia a 800° C. Ambas sustancias
toman átomos de oxígeno del mineral (se oxidan) para formar H2O y CO2. De
esta manera, el óxido de hierro del mineral, Fe2 O3, se convierte en Fe3 O4,
luego en FeO y finalmente en el elemento Fe (hierro metálico). Es decir, el
mineral de hierro se reduce (pierde oxígeno). El resultado es un hierro poroso,
esencialmente con la misma forma y tamaño que la partícula del mineral, que
es una magnífica carga para la elaboración de acero en un horno eléctrico,
pues está libre de impurezas metálicas, es fácil de manejar y transportar y
posee una composición química uniforme y precisa , además de que es muy
económica.
En los hornos tubulares rotativos se alimentan los pellets mezclados con
carbón de granulometría relativamente gruesa, para determinar que en su
avance por el horno, al llegar a la zona de reacción, con temperatura y
atmósfera controlada, se produzca la oxidación parcial del carbón (combustión
incompleta), generando CO que "arranca el oxígeno para completar su
combustión al óxido de hierro", produciendo el hierro esponja.
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Figura 10.1
La reducción directa la efectúa el CO
CO que se desprende del carbón.
CO que se
desprende del
carbón
Al viajar juntos el carbón de tamaño grande (1―) y los pellets por el piso del
horno, la presencia controlada de oxígeno determina la oxidación parcial del
carbón formando CO que ―arranca‖ el oxígeno del mineral de hierro,
manteniendo una temperatura de 900 °C para manejar una cinética adecuada
de estas reacciones.
Para calentar el material en proceso y mantener la temperatura en la zona de
reacción se puede utilizar cualquier combustible, pero representa solamente
alrededor del 30% del combustible total utilizado.
Figura 10.2
Gas Natural: Aunque no pueda utilizarse como
reductor en el Horno siempre resulta una gran
ventaja su empleo como combustible en el
Horno de Hierro Esponja.
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La disponibilidad de gas natural siempre resulta ventajoso para cualquier planta
industrial, pero para este tipo de proceso de reducción directa en hornos
tubulares solamente puede reemplazar al carbón pulverizado o fuel oil utilizado
como fuente de calor para mantener la temperatura de reacción que determina
la curva de control que requiere el proceso a lo largo del horno, pero no sirve
para proporcionar los elementos reductores en este tipo de horno.
De acuerdo a los balances efectuados en hornos de este tipo, operando con
carbón de molienda gruesa para la reducción directa y carbón pulverizado fino
para aporte térmico en el quemador principal, la ventaja económica de la
utilización del gas natural resulta rentable, pero solamente sustituye alrededor
del 30 % del consumo energético total.
Al efectuar la sustitución, mejoran notablemente las condiciones de control
operativo, control de la atmósfera interna y disminuyen las emisiones de
inquemados sólidos; inclusive mejora la calidad y disminuye el rechazo del
producto.
La innovación tecnológica de incorporar carbón pulverizado en la
conformación de nódulos podría representar una mejora significativa en
la concepción general del proceso y sus rendimientos energéticos.
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10.2 Combustión de Gas Natural en Hornos de Arco Eléctrico
La elevada temperatura de fusión y la necesidad de disminuir los tiempos de
colada justifican la utilización de hornos de arco eléctrico para producción de
acero; sin embargo, las etapas de calentamiento pueden efectuarse con la
energía generada por combustión; al efectuar esta experiencia con el propósito
de optimizar costos de producción, descubrimos que algunos inconvenientes
pueden convertirse en ventajas.
10.2.1 Energía eléctrica vs Combustión
Para efectuar la comparación del costo de aplicación de energía eléctrica y la
generada por combustión consideremos la equivalencia teórica :
1 Kw = 860 Kcal
1 MM BTU = 252.000 Kcal = 293 kw
Tomando valores promedio a nivel latinoamericano:
1kw-h : 0.08 US$ = 23.4 US$/MM BTU
Costo Gas Natural = 6 US$/MM BTU
Costo Fuel Oil
= 2 US$/ gln = 14 US$/ MMBTU
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Costo Carbón Mineral bituminoso = 120 US$/ TM = 4 US$/MM BTU.
Desde el punto de vista económico aparece muy claramente la conveniencia de
utolozar la energía del carbón y del gas natural; más adelante vamos a
comprobar que ambos combustibles pueden utilizarse simultáneamente,
introduciendo el carbón en la carga del horno para actuar como combustible y
reductor; inyectando el gas natural para calentamiento d ela carga,
aprovechando su facilidad de manejo, limpieza y apropiado control de
suministro.
10.2.2 Calentamiento con Combustión
Disponiendo de 2 Hornos de Arco Eléctrico que normalmente trabajaban en
forma alternada por no disponer de suficiente capacidad de transformación en
la sub-estación eléctrica, se incrementó la demanda de acero, plante+andose
como necesidad para el incremento de producción necesario, la adquisición de
un segundo transformador para trabajo simultáneo de ambos hornos.
Efectuada la consulta al Grupo Combustión Industrial y después del
correspondiente estudio técnico en planta, se recomendó alternar el
calentamiento de los hornos con la inyección de combustible y aire al interior
del horno, mediante lanzas refrigeradas con agua. Este sistema permitió
efectuar el secado y elevar la temperatura del material hasta semi-fusión
(1200°C); en este punto se conectaba el arco voltaico para completar el
proceso de fusión hasta efectuar la colada; este sistema funcionó
satisfactoriamente, pero el tiempo de colada se incremento de 90 a 120
minutos. Para compensar esta pérdida de producción se definió la posibilidad
de enriquecer el aire de combustión con oxígeno, consiguiéndose disminuir
hasta 80 minutos el tiempo de colada, al llegar a una enriquecimiento del aire
del 5-6 % de oxígeno.
El costo adicional del oxígeno resultó justificado por el diferencial de costos de
calentamiento con combustible y la menor inversión en equipos de combustión,
respecto al que representaba la adquisición de otro transformador.
Adicionalmente, se logró disminuir el tiempo de colada y mejorar la calidad del
proceso.
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10.2.3 La tecnología de ―puerta cerrada‖
Los descubrimientos “accidentales”
suelen ser los más importantes
Al efectuar la inyección de combustible en el horno de acero (gas natural y
carbón mineral) para efectuar el precalentamiento, al llegar a la fusión parcial
del material se presentaba la presencia de espuma, que rebalsaba el nivel del
horno y representaba una molestia y un riesgo para el personal operativo.
Al comienzo la espuma que llenaba el horno representó un grave problema que
se llegó a controlar gradualmente con la dosificación de combustibles, aire y
oxígeno, pero también se comenzaron a apreciar otros efectos positivos:
Disminuyó el ruido en la zona de operación de la planta de Acero
Disminuyó la temperatura del ambiente alrededor de los hornos en esta
etapa del proceso, inmediatamente antes de poner en servicio los arcos
eléctricos.
Se incrementó la producción, al disminuir en 10 minutos el tiempo de
colada en cada horno.
Al encontrar la explicación en disminución de pérdida de calor y ruido al
permanecer los hornos llenos de espuma, se tomó la decisión de mantener
parcialmente la inyección de combustibles durante la etapa de operación con
arcos eléctricos, lo que produjo dos efectos positivos adicionales:
Desapareció el problema que se ocasionaba al irse el arco a tierra,
provocando pérdidas de energía y producción.
Disminuyó el tiempo de colada hasta 65 minutos por colada.
La tecnología descubierta se afinó con la práctica y forma parte importante del
proceso denominándose ―fusión en puerta cerrada‖ debido a las características
comentadas y ha sido patentada por la Empresa y el Jefe de Acería.
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10.3 CALENTADORES DE CUCHARAS CON GAS NATURAL
El trabajo que se realiza con las cucharas en el circuito de producción de acero, resulta
particularmente importante, porque constituye una interfase entre la fusión y el
moldeo, donde se produce el afino del material, antes de transportarlo a la máquina
de moldeo para convertirlo en palanquillas.
Para recibir el acero fundido del horno eléctrico, las cucharas deben se previamente
calentadas, para evitar el choque térmico que fractura el refractario y enfría el
material fundido.
Un calentamiento uniforme a alta temperatura, con adecuada penetración de calor,
reduce el choque térmico y el desconchado del refractario y puede reducir la
temperatura de colada del metal del horno eléctrico, ahorrando energía y
disminuyendo el tiempo de colada.
La disponibilidad de gas natural resulta ideal para efectuar esta operación en forma
limpia y eficiente.
En la inmensa mayoría de las acerías el calentamiento de las cucharas se hace
mediante quemadores aire – gas natural. Sin embargo la evolución de los precios
energéticos a lo largo de los últimos años y el creciente valor del CO2 debido al
compromiso europeo en Kioto han hecho variar sustancialmente el equilibrio
económico de esta operación, pasando a ser de interés en la actualidad la sustitución
del aire por oxígeno porque, aunque el aire sea gratuito y el oxígeno tiene un precio
que hay que pagar, el ahorro de combustible y el menor volumen de CO2
generado compensan el pago del oxígeno.
En efecto, al utilizar oxígeno en lugar de aire se produce, para idéntica cantidad de
calor aportado, un ahorro teórico de gas natural del orden del 65%. En la práctica
hemos constatado ahorros ligeramente superiores al 50%.
La inversión necesaria para esta transformación consiste en:
-. Quemador de oxígeno-gas natural.
-. Equipo de control de gases, eléctrico y de seguridad.
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Figura 10.3
Calentamiento
de
cucharas con gas natural
y
Oxígeno
El tiempo de amortización de esta inversión es inferior a un año con los precios
promedio actuales de gas, O2 y CO2. Además hay otros capítulos que deben
ser también considerados:
Menor generación de dioxinas ( NOx )con oxígeno que con aire. Tema
éste que comienza a pesar crecientemente en las acerías.
No son necesarios ventiladores. Por tanto su consumo de kwh
debe también ser deducido.
Hay además otra ventaja adicional que reporta a la acería un beneficio
incomparablemente mayor que los hasta ahora citados en aquellas
acerías en las que se puede poner en práctica. Nos referimos a
la posibilidad de elevar la temperatura de calentamiento de cuchara.
Con quemadores que utilicen aire como comburente es muy difícil rebasar los
1.050 – 1.100ºC en la cuchara. A partir de este límite la temperatura de la
llama y la conductividad térmica del refractario comienzan a equilibrarse, de
modo que el calor aplicado se disipa por las paredes.
Lógicamente esta temperatura es función del espesor y calidad del
revestimiento de seguridad pero la experiencia demuestra que nunca se rebasa
este límite.
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No quiere esto decir que ésta sea la temperatura óptima. Al contrario, si la
cuchara fuese al horno con 1.250 – 1.280 ºC, cotas alcanzables
perfectamente usando oxígeno como comburente, se podría bajar
notablemente la temperatura de vuelco en el horno. En pruebas realizadas en
una acería se redujo unos 25ºC, pero son más habituales descensos de 6-8ºC
Aunque el precio de los Bonos de Carbono en el mercado internacional han
disminuido por la crisis económica europea, las ventajas operativas y
disminución del tiempo de coladas, resulta suficientemente beneficioso, como
para considerar que esta tecnología resultará aplicada en un futuro cercano, en
todas las plantas de acero que utilizan hornos de arco eléctrico.
12.4
para
Combustión en Hornos de Calentamiento de Metales
Laminación
En la mayoría de plantas de producción de acero en hornos eléctricos, la
capacidad de producción de palanquillas en la etapa de colado del material
fundido resulta mayor que el de laminación de acero, por lo que una parte de la
producción se almacena a temperatura ambiente, perdiéndose el calor sensible
contenido con el que son moldeadas.
Consecuentemente, para su posterior laminación, se debe disponer de un
horno de calentamiento de palanquillas como el que se puede observar en la
Figura 10.4
En la parte correspondiente a la descarga y alimentación al tren de laminación.
Figura 10.4
Descarga de
palanquillas a
temperatura de
laminación
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El calentamiento de piezas para laminación puede presentarse con
circunstancias muy variadas, pudiendo tratarse de ―tochos‖ pequeños que se
calientan en un horno de reverbero con una ventana para introducir y
extraerlos, como en una fragua, hasta grandes hornos de palanquillas de acero
de sección cuadrada de 10 o más cm de diámetro y 2.40 m de longitud (Figura
12.5), que pueden avanzar dentro de un horno de empuje o ―saltar‖ en un
horno de vigas galopantes, para progresar el interior del horno, hasta llegar a la
temperatura de ablandamiento (1200°C).
Figura 10.5
Palanquillas de acero para laminación
Desde el punto de vista energético resultará siempre
conveniente efectuar la laminación de palanquillas
inmediatamente después que se produce la colada, dirigiendo directamente las
palanquillas a los trenes de laminación para evitar pérdidas de calor, el
enfriamiento del material por debajo de su nivel de laminación y evitar que el
material caliente se oxide formando cascarilla, al estar en contacto directo con
el oxígeno del aire. Al exceder normalmente la capacidad de colado a la
capacidad de laminación, resultará necesario considerar la ubicación en la
línea de producción, una zona de almacenamiento y un Horno de
Calentamiento de Palanquillas (Figura 12.6) para calentar las palanquillas frías
hasta la temperatura necesaria.
Figura 10.6
Horno de Vigas Galopantes
Estos hornos reciben las palanquillas
por la zona de carguío y lo
descargan caliente por el lado opuesto. Se instalan quemadores a los costados
del horno que proporcionan el calor, transcurriendo las palanquillas a través del
horno por empuje, con lo cual permanecen juntos, lo que perjudica su
calentamiento por radiación, por lo cual se utilizan los sistemas llamados de
vigas galopantes que levantan las palanquillas y las depositan unos
centímetros más adelante, permitiendo que exista un espacio entre palanquillas
que favorezca la transferencia de calor por radiación y convección.
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En el interior del horno se determinan zonas de pre-calentamiento,
calentamiento y estabilización, para que al abandonar las palanquillas el horno,
puedan introducirse directamente en los trenes de laminación.
Resulta de la mayor importancia reconocer que el prodso de transferencia de
calor dominante siempre es el que resulta más lento; en este caso, la
igualación de la temperatura del interior de la masa de la palanquilla, que se
produce por conducción.
10.4.1 Atmósfera Interna de los Hornos
Hasta hace algunos años se encontraban en las plantas de acero chimeneas
que botaban gran cantidad de humo, bajo el pretexto de que tenían que
mantener atmósfera reductora en el horno para evitar que se oxiden las
palanquillas que se calentaban para laminación, lo que resultaba absurdo, ya
que al analizar gases en las chimeneas se encontraba, además de inquemados
(hollín), también oxígeno producto de trabajar con exceso de aire, demostrando
que las pérdidas no solamente eran de poder calorífico del combustible que se
aprovechaba, sino además exceso de aire que oxidaba las palanquillas y
producían pérdidas por ineficiencia de calentamiento.
La combustión en este tipo de hornos se debe efectuar en forma hermética,
manteniendo una presión ligeramente positiva para evitar el ingreso de aire
falso (soplando) y manteniendo la condición de atmósfera reductora en niveles
de control en partes por millón de Monóxido de carbono (CO) que es invisible,
por lo cual las chimeneas deben permanecer totalmente limpias.
10.4.2 Transferencia de calor
El diseño de los hornos se orienta principalmente a la trasferencia de calor por
radiación desde las llamas a las palanquillas, por convección a través del
contacto entre la masa circulante de gases de combustión caliente y las
palanquillas y finalmente por conducción, desde la superficie de las palanquillas
hasta el interior de las palanquillas, en la etapa que se denomina ―igualación‖,
ya que todo el material debe estar a la temperatura de laminación, para evitar
problemas en los trenes y graves interrupciones del proceso de laminación.
Resultando difícil conseguir un calentamiento rápido, debido a que el proceso
dominante termina siendo el más lento, la conducción, los gases salen
demasiado calientes, por lo que se justifica la instalación de recuperadores de
calor por radiación y convectivos, compensando la menor densidad del aire con
mayor intensidad de mezcla en los quemadores.
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Figura 12.7
Transferencia de Calor
El Calor por radiación vuela, por convección fluye y por conducción camina
12.4.3 Recuperación de calor
En este tipo de hornos pueden utilizarse petróleo residual, aunque resulte
complicado
formar llamas cortas y completar la combustión, siendo favorable el tener una
mayor emisividad de llama.
Siempre resultará una gran ventaja disponer de gas natural con toda su
limpieza y eficiencia, no resultando grave la deficiencia de emisividad de llama,
por que la exigencia de atmósfera reductora obliga a mantener bajo el exceso
de aire, provocando cierta demora en la combustión que produce una llama
más emisiva.
Sin embargo, debe recordarse que el proceso dominante de transferencia de
calor es la conducción en la etapa de igualación, por lo cual la emisividad de
llama no resultará un factor decisivo. En consecuencia, la temperatura de los
gases de chimenea resultará miy elevada, justificando siempre la instalación de
un recuperador de calor como el que se presenta en la Figura 10.8 . Cuando se
instala.en un horno que originalmente no ha sido previsto para trabajar con
aire precalentado, debe verificarse que lo quemadores puedan soportar esta
mayor exigencia térmica.
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Figura 10.8
Recuperadores de calor aire-gas por radiación y convección
10.5 EL GAS NATURAL COMO INSUMO Y COMBUSTIBLE: GAS DE
SÍNTESIS
El procesamiento del gas natural mediante reformación catalítica permite
disponer de Hidrógeno y Monóxido de Carbono para ser utilizados como
reductores del Hierro para producción del Hierro Esponja en Hornos
Verticales. Aunque el alto costo de la producción del Gas de Síntesis
todavía exige disponer de gas natural a un precio muy bajo, las ventajas
de eficiencia y limpieza que establecen resultan cada día más
importantes para resultar el proceso más conveniente (Figura 10.9).
Figura 10.9
EL GAS NATURAL COMO INSUMO
PRODUCCION DE HIERRO ESPONJA
MINERAL
DE
HIERRO
G
A
S
N
A
T
U
R
A
L
REFORMADOR
CALENTADOR
CH4 + H2O
3H2 + CO
REFORMACION
LA CONVERSION DEL CH4 EN GAS DE SINTESIS
SE LOGRA REFORMANDOLO CON VAPOR
UTILIZANDO UN CATALIZADOR.
EL GAS DE SINTESIS ES UN FUERTE REDUCTOR
DEL HIERRO.
930°C
Fe2 O3 + 3H2
Fe2 O3 + 3CO
2Fe + 3H2O
2Fe + 3CO2
REDUCCION
EL GAS DE SINTESIS (H2 Y CO)
EN CONTRACORRIENTE A LA
CAIDA DEL MINERAL (Fe2O3)
ORIGINA LA LIBERACION DEL
OXIGENO (REDUCCION)
Fe2O3
H
I
E
R
R
O
E
S
P
O
N
J
A
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La reacción química se desarrolla en la siguiente forma:
Con el fin de producir más hidrógeno a partir de esta mezcla, se añade más
vapor y así se produce el desplazamiento de la reacción del gas de agua:
El hidrógeno debe separarse del CO2 para poder usarlo. Esto se realiza
principalmente por adsorción por oscilación de presión (PSA), limpieza de las
aminas producidas y el empleo de reactores de membrana.
En la Figura 10.10 se muestra una instalación completa para producción de
Gas de Síntesis a partir del Gas Natural y su alimentación al Horno Vertical de
Reducción Directa del Hierro para producción del Hierro Esponja.
El inconveniente que presenta este sistema es la peligrosidad del Gas de
Síntesis, debido a la inestabilidad de sus componentes, CO y H2, altamente
inflamables y/o explosivos en presencia de oxígeno, resutando indispensable
mantener una atmósfera totalmente inerte.
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Aunque este sistema se ha impuesto por diversas ventajas al de
reducción en hornos tubulares, consideramos que la simplificación de la
combustión que proporciona la Teoría Inorgánica de la Combustión abre
un inmenso campo de investigación aplicada con interesantes
perspectivas de desarrollar sistemas de reducción más simples,
económicos y eficientes.
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CAPITULO
11
Gas Natural en
Hornos de Cal y Cemento
11.1 CALCINACIÓN Y CLINKERIZACIÓN
El proceso de fabricación de cal (CaO) consiste básicamente en la reacción de
carbonatación o liberación del CO2 de la molécula de carbonato de calcio
(CO3Ca) por efecto del calentamiento.
CO3Ca
+
Calor  CaO + CO2
Esta reacción es fuertemente endotérmica y se desarrolla en la forma que se
muestra en la Figura 11.1
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El tiempo de reacción dependerá de los siguientes factores:
Tamaño de la partícula o piedra caliza.
Condiciones de transferencia de calor
Presión parcial del CO2 en el reactor.
La calcinación o producción de cal forma parte del proceso de fabricación de
clinker, base de la producción del cemento.
En el horno cementero, a diferencia del horno de cal, en el cual se producen
solamente óxido de calcio, se producen en forma planificada 4 óxidos: CaO(C),
SiO2(S), Al2O3(A) y C4AF(F).
Figura 11.1
Esquema de formación de CaO por descarbonatación del CaCO3
A partir de estos 4 óxidos, en el interior del horno rotatorio se producen las
reacciones de clinkerización que se pueden graficar en la forma que se
muestra en la Figura 11.2.
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Figura 11.2
Esquema de formación de óxidos en la producción de cemento
Los 4 Compuestos mineralógicos producidos proporcionan las características
diferenciales del clínker y los cementos finales producidos en la molienda final,
agregándole el yeso que actúa como retardador de fraguado y las adiciones de
los cementos especiales.
El desarrollo del proceso ha evolucionado desde la instalación del primer horno
cementero, hasta constituir el moderno sistema de producción de clínker que
se muestra en la Figura 11.3
Figura 11.3
–
Sistema Precalentador
Horno – Enfriador
En el Horno Rotatorio, sea
cual fuere la forma en que
se desarrollen las
operaciones previas del
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proceso, siempre se producen las etapas de transición, nodulización,
clinkerización y enfriamiento, dependiendo su conformación de las
características de la llama, resultado de la forma en que se desarrolla la
reacción de combustión, resultando siempre conveniente una llama lo mas
corta y caliente que resulte posible, sin afectar la estabilidad del revestimiento
(costra) y refractario. En este sentido la formación de llama cónica hueca
resulta un objetivo obligatorio. Ver (Figura 11.4)
Figura 11.4
Esquema de la llama cónica hueca
11.2 EL GAS NATURAL EN HORNOS DE CAL
Los hornos de cal utilizados en la práctica industrial podemos clasificarlos en
Horizontales y Verticales.
Los Horizontales o Rotatorios se justifican para producciones considerables y
resultan obligatorios cuando la caliza utilizada como materia prima decrepita al
descarbonatar. Considerando que un tubo resulta un pésimo intercambiador de
calor por convección , no ofrece buenas perspectivas de eficiencia energética,
aún con instalación de levantadores y dispositivos que favorezcan el
calentamiento, por lo que han sido desplazados por diseños modernos de
hornos verticales más eficiente y para mayores capacidades.
La incorporación de gas natural en hornos tubulares, resultando inconveniente
para la transferencia de calor por radiación, no la consideramos conveniente en
este tipo de hornos, limitando su enfoque a hornos verticales.
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Los Hornos Verticales tradicionales han sido inicialmente de tipo artesanal,
pero la tecnología los ha transformado gradualmente hasta llegar a niveles de
diseño y funcionamiento de gran eficiencia en los hornos de doble cuba
regenerativos (Figura 11.5).
Figura 11.5
Horno de Cal de Doble Cuba Regenerativo MAERZ
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11.2.1 Gas Natural en hornos pequeños artesanales
Aprovechando la facilidad de producir cal a partir del calentamiento de piedra
caliza, en todo el mundo se han desarrollado diferentes modelos de hornos
artesanales que son agujeros que se hacen en el piso al borde de un cerro en
zonas más elevadas, con el soporte lateral de un muro de concreto;
desembocan en una boca de descarga desde donde extraen la cal producida,
jalando las piedras calcinadas que se fraccionan, pasando entre los tubos que
se colocan para retener la carga, los cuales se pueden mover para dejar pasar
piedras más grandes o más duras (Figura 11.6)-.
Figura 11.6
La única fuente de calor es carbón de calidad variable que se coloca en capas
alternadas con piedras de caliza de tamaño variable entre 1 y 5 pulgadas. Para
evitar la segregación del carbón , más o menos fino, lo aglomeran
humectándolo con agua que posteriormente se vaporiza con el calor generado
por la combustión. Con la práctica y los años han logrado desarrollar una
tecnología artesanal muy interesante, porque logran calcinar la piedra en forma
más o menos pareja.
En las siguientes vistas se observa el sistema actual de carguío del horno,
colocando con una carretilla las piedras de caliza y luego el carbón humectado.
Se puede apreciar la exposición del personal a los gases que emergen del
horno, con inquemados, polvo de caliza y vapor (Figura 11.7).
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Figura 11.7
En la Figura 11.8 se puede observar como queda el horno al terminar el
carguío y comenzar a quemar el carbón en el interior. Cada día se efectúa el
jalado de cal por la boca de descarga y se repone el nivel que desciende el
nivel de llenado del horno, con las capas alternadas de caliza y carbón
humectado, consiguiendo una operación semi-continua; al día siguiente, a
primera hora, se vuelve a jalar cal y se vuelve a tapar el horno.
Figura 11.8
El análisis de la tecnología actual nos permite rescatar importantes factores
productivos que seguramente han demandado mucho tiempo y por cierto,
también mucho ingenio para constituir una forma tecnológica artesanal con
indudables méritos, entre los cuales queremos destacar los siguientes:
Las paredes del Horno se han conformado con las llamadas ―piedras de
fuego‖ y una argamaza constituída con la propia cal producida y un
material arcilloso, logrando un efecto refractario y resistente a la
abrasión que permite estructurar la forma adecuada del horno, para
permitir el desplazamiento vertical del material, sin impedimentos ni
aglomeraciones.
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Para el aporte térmico mediante carbón muy variable y principalmente
conformado por finos, han desarrollado una tecnología de aplicación que
consiste en humectarlo con agua, formando un lodo que permite
aglomerarlo en capas que se alternan con las piedras escogidas de
caliza de variados orígenes, pero principalmente canto rodado de la
zona y travertino de canteras más lejanas. Cuando el calor del horno
comienza a evaporar el agua, el lodo de carbón se convierte en
aglomeraciones porosas que permiten la ―respiración‖ del horno con
disponibilidad de oxígeno para que se complete la combustión.
El sistema de ―jalado‖ de piedra calcinada en la boca de descarga,
también resulta igualmente ingenioso para permitir extraer el producto.
Se ubican tubos en forma transversal a través de los cuales la cal
producida se va descargando; para facilitar esta tarea, cuando resulta
complicado deshacer las piedras de cal, el movimiento lateral de los
tubos permite su remoción; la habilidad de los operarios efectuando esta
tarea resulta verdaderamente impresionante.
La experiencia y habilidad del personal para efectuar el escogido de
piedra caliza y piedra de fuego, así como la cal de las cenizas e
impurezas en el producto, resulta impresionante, constituyendo valiosa
tecnología que debe aprovecharse en lugar de reemplazarse.
La disposición de gas natural en este tipo de hornos artesanales puede permitir
conseguir significativas mejoras de producción, rendimiento y preservación
ambiental.
En este tipo específico de hornos, podemos plantear, a modo de ejemplo, las
modificaciones que permitirían conseguir tales objetivos:
Crear tiro para extracción de los gases quemados y
descarbonatados, para favorecer la reacción y eliminar la
contaminación en la parte de carga del horno.
Para cumplir este objetivo resultará necesario recolectar los gases de
salida en una campana (cono) que los encauce a través de una
chimenea. Para poder seguir efectuando la operación de carguío del
horno, se proveerá puertas (3) de abertura lateral que permitan la
introducción de las carretillas hacia el interior del cono.
Aumentar la intensidad térmica incorporando la combustión de gas
natural en la arte inferior del horno
La facilidad de combustión del gas natural permite ubicar una parrilla de
gas en
la parte inferior. Inicialmente puede mantenerse el sistema de
capas de carbón, pudiendo sustituirse totalmente por el gas natural.
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En la Figura 11.9 se muestra la forma en quedaría conformado el horno
modificado. Las pruebas efectuadas implementando estas mejoras han
permitido triplicar la producción y mejorar la calidad del producto
Figura 11.9
Horno Prototipo Modificado
En la Figura 11.10 se presenta el tipo de quemador de gas natura que se ha utilizado. Al
concluir la operación de calcinación , el quemador uede ser retirado para proceder al
“jalado” de la cal producida.
Figura 11.10
Quemador de gas natural tipo parrilla
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11.2.2 Gas natural en Hornos Verticales con Plano inclinado
Para favorecer la utilización de combustibles líquidos en hornos verticales
surgen los diseños de Hornos con Planos Inclinados que permiten ubicar
llamas que aportan el calor para el proceso, como los que se aprecian en la
Figura 11.11.
Figura 11.11.
Hornos Verticales de Cal
El horno consiste en una columna de
altura considerable que se carga con
piedra caliza de tamaño suficiente
para que permita el paso de los
gases circulantes. En la parte
inferior, se dispone de una parrilla giratoria que mediante la ubicación de venas
orientadas excéntricamente o perforaciones coincidentes, descarga la cal
producida, determinando la progresión del material por gravedad en sentido
descendente.
La ubicación de un plano inclinado creado por la expansión del diámetro del
horno y el talud de la piedra, permite disponer del espacio para ubicar
quemadores de combustibles líquidos que aportan el calor requerido para el
proceso. En la Figura 11.12 se muestra el perfil del horno y la velocidad de avance del
material en función del giro de la parrilla, lo que determina el tiempo de residencia del
material en pre calentamiento, la zoma de reacción. Enfriamiento y descarga. En la
parte recta superior, la piedra se precalienta con los gases de combustión y al
llegar a la zona expandida reciben el calor suficiente para llegar a la
temperatura de descarbonatación, convirtiéndose la piedra en cal, rápidamente
en la superficie y muy lentamente hacia el interior.
Figura 11.12
La incorporación de gas
natural en este tipo de hornos
permite favorecer
considerablemente la
distribución de calor y
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homogenización térmica del horno, incorporando al quemador principal
(Figura.11.13), lanzas de inyección de gas natural que introduzcan este
combustible en zonas con disponibilidad de oxígeno proveniente del aire que
se introduce a través d ela parrilla de descarga y permite recuperar calor del
producto caliente. La forma de inyección, diseño de las lanzas y ubicación de
zonas de combustión deberán ser establecidas para cada pc aso particular,
siendo una buena referencia los hornos de doble cuba regenerativa.
Figura 11.14
Se produce una significativa mejora en estos hornos con un detalle que parece
muy simple, pero resulta muy significativo y demuestra lo importante que es la
combustión, pero al mismo tiempo, lo simple que puede resultar modificarla y
mejorarla.
La producción y factor de marcha de estos hornos mejora considerablemente
por el efecto de modificar la ubicación de la llama horizontal en el espacio que
se forma y resulta idónea para este propósito, inclinando el quemador 30°,
evitando que el levantamiento de la llama por convección natural (la llama se
cae para arriba) dañe el refractario y limite la disponibilidad de calor donde más
se necesita.
En estos hornos se consigue operación continua, instalando parrillas rotativas
para la descarga del producto, introduciendo aire de enfriamiento que permite
recuperar calor y conducirlo hacia la zona de reacción, permitiendo alcanzar
consumos específicos de alrededor de 1200 Kcal/Kg, los cuales disminuyen
significativamente al disponer de gas natural para desarrollar la combustión en
varios frentes, inyectando gas que se quemará con oxígeno del aire de
enfriamiento, en la zona de reacción.
Figura 11.15
Un detalle de gran importancia para el horno
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11.2.3 HORNOS DE DOBLE CUBA REGENERATIVOS
El desarrollo tecnológico en este campo alcanza su máxima expresión actual
con el tipo de Hornos de doble cuba regenerativos Maerz (Figura 11.16), que
consigue excelentes rendimientos, instalando un diseño que considera el
trabajo de 2 hornos de cuba que trabajan en forma alternativa, produciéndose
la combustión en uno mientras que sus gases de combustión precalientan el
material en el otro, alternando automáticamente esta función cada 6 o 7
minutos.
El combustible se inyecta por lanzas verticales desde el techo, directamente en
la zona de reacción; por supuesto que el gas natural resulta el combustible
ideal, pero también utilizan comestibles líquidos bien atomizador, e incluso
carbón mineral pulverizado.
Figura 11.16
Horno de Doble Cuba Regenerativo y Sistema de Inyección de Combustible
La ventaja operativa del concepto de diseño del horno de doble cuba se
manifiesta en la alternación de las operaciones de combustión y calentamiento
en cada cuba, las cuales se invierten cada 5 a 7 minutos, permitiendo un
eficiente control de la temperatura máxima de operación en niveles apropiados
para mantener la calidad y reactividad de la cal produzca, como puede
observarse en la Figura 11.17
En los hornos verticales de plano inclinado, para poder llegar calcinar el
corazón dela piedra, se debe alcanzar hasta 1450 °C en la temperatura
exterior, lo que produce en la parte exterior de la piedra una clinkerización y
cristalización del CaO formado, afectando su reactividad en el momento de la
hidratación. La importancia de este control radica en que se logra mantener
temperaturas moderadas, alternando el aporte térmico, antes de que exceda
los niveles recomendados.
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Figura 11.17
Curvas comparativas de operación
En estos hornos resulta importante el sistema de descarga que se muestra en
la Figura 11.18, el cual permite controlar la descarga del producto, después de
intercambiar calor con el aire frío que ingresa por la parte inferior, mediante un
mecanismo giratorio que presenta un vacío el material que cae a una tolva,
desde donde se descarga a un camión o sistema de transporte.
El tamaño de piedra utilizado es una de las limitantes de estos sistemas, lo que
eleva el costo de materias primas, resultando conveniente que se combine con
otros sistemas productivos que aprovechen los finos, tales como fabricación de
ladrillos sílico - calcáreos, producción de cal en otros sistemas que admitan
más finos, aunque no consigan los mismos niveles de eficiencia, o su
integración a la materia proma de un horno cementero.
Figura 11.18
Sistema de descarga de Cal del Horno
Maerz de doble cuba regenerativo.
11.3 APLICACIÓN DEL FLASH CALCINER
PARA PRODUCCIÓN
INSTANTÁNEA DE
CAL
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La producción de cal constituye un proceso muy simple, ya que solamente
consiste en calentar la piedra caliza hasta la temperatura de disociación del
carbonato cálcico:
Caliza (CO3Ca)
+ Calor
= Cal Viva (CaO) + CO2
Sin embargo, la producción de cal resulta siempre complicada :
En los hornos rotatorios los rendimientos y calidad de la cal producida
son deficientes, debido a que constituye un pésimo intercambiador de
calor.
En los hornos verticales debe mantenerse un tamaño de piedra
adecuado para que circulen el aire y los gases de combustión a través
de la cama de piedra, lo que representa limitarse a la velocidad de
reacción por difusión térmica del calentamiento de la piedra por
conducción y la difusión de gases de descarbonatación del interior de la
piedra al medio.
Las investigaciones desarrolladas por el ILC en Hornos cementeros han
permitido concebir y comprobar que la tecnología de la precalcinación resulta
aplicable a la producción de cal, prescindiendo de todo el horno y manteniendo
la etapa previa que se realiza en el Precalentador (Figura 11.19).
Figura 11.19
El horno cementero hasta el calcinador, es
simplemente un horno de producción de cal
La frase utilizada en este libro : ―el horno cementero,
hasta la mitad del horno rotativo o la cámara de
precalcinación, es un horno de cal, resulta
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literalmente cierta; la diferencia consiste en que en el horno cementero se
dosifica materias primas que aportan 4 óxidos (Calcio, Sílice, Alúmina y Fierro)
que reaccionarán a mayores temperaturas para formar los compuestos
complejos que conforman el clínker: C4 AF, C3A, SiO2 y SiO3.
Tomamos literalmente esta frase y tenemos nuestro horno de cal, adoptando el
maravilloso proceso de precalcinación para producción de cal.
Prescindiendo de las otras materias primas que aportan los otros óxidos y
dosificando al precalentador solamente Caliza finamente pulverizada,
podremos obtener directamente Cal Viva en la descarga del precalcinador, lo
que representa eliminar el horno rotativo y recibir la cal producida directamente
en la descarga del precalentador.
Estudiando los numerosos diseños de precalcinadores hemos seleccionado el
―flash calciner‖ desarrollado por Ishikawashima Harima Heavy (IHH) y adoptado
por Fuller, como el más adecuado para calcinar el polvo de caliza sin mayores
inconvenientes, ya que en el horno cementero el principal problema consiste en
que se produzca la clinkerización, debido a la presencia de aluminio y fierro
que forman fase líquida.
El principio del flash calciner, aplicado a la calcinación de polvo en suspensión
de gases consiste en efectuar en el reactor la formación de llama mediante 3
inyectores de combustible que con el aire correspondiente forman una llama en
forma de vórtice ascendente. La inyección en puntos estratégicos de polvo de
caliza ( 2 o 3) previamente precalentado, permite mantener el polvo de caliza
en suspensión, en el interior de la llama, provocando una simbiosis perfecta
entre la reacción de combustión que libera calor y la descarbonatación que se
lo ―traga‖ instantáneamente, por ser altamente endotérmica (Figura 11.20).
Figura 11.20
Flash Calciner ILC para
Calcinación instantánea
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La disponibilidad de Cal Viva pulverizada mediante este sistema tendrá muchas
ventajas respecto a los otros sistemas de hornos de cal:
La calcinación del polvo de Caliza en suspensión de gases permite un
control perfecto de la homogeneidad de calidad de la Cal Viva
producida.
El desarrollo de la calcinación en unos pocos segundos evita la
formación de cristales de CaO, presentando el producto la máxima
reactividad posible.
La producción de Cal Viva pulverizada facilita el proceso de apagado y
la utilización de la cal en todas sus formas de empleo.
El procesamiento de cal molida en equipos como el Molino de Rodillos que se
muestra en la Figura 11.21 representa la posibilidad de utilizar toda la caliza
explotada en canteras.
Figura 11.21
Molinos de rodillos para Caliza
La producción de cal pulverizada plantea el desafío de desarrollar un modelo
de recuperación de calor, probablemente indirecta, que permita recircular parte
del calor que abandona el horno con el producto; sin embargo, analizando el
correspondiente Diagrama de Sankey, las pérdidas térmicas por este concepto
son mínimas, resultando más importante el enfriamiento, como un
procedimiento necesario para congelar la calidad de cal producida.
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11.4 GAS NATURAL EN EL HORNO CEMENTERO
Muchos hornos cementeros queman gas natural, pero tenemos la
impresión de que todos lo hacen en forma inadecuada, desaprovechando
las inmensas posibilidades técnicas que permiten sus características y
posibilidades de empleo, por desconocer la forma de compensar con
tecnología apropiada, la principal, y quizás única, desventaja del gas natural
como combustible industrial: su menor emisividad de llama, respecto a las
de combustibles sólidos y líquidos. En este punto despejamos todas las
dudas en este campo, demostrando que el gas natural también representa
una bendición del cielo para los hornos cementeros, si se utiliza la
tecnología correcta, con los criterios de aplicación adecuados.
Tomando en consideración que el mayor volumen de gases producidos por
unidad energética al quemar gas natural respecto a combustibles sólidos y
líquidos representa una menor temperatura adiabática de alrededor de
100°C y que las partículas de coque producto de la disociación del gas
natural resultan 100 veces más pequeñas que las provenientes de petróleo
y carbón, la transferencia de calor por radiación a partir de llamas de gas
natural resulta considerablemente menos intensa que las excelentes
condiciones que se logran con las llamas de petróleo y carbón, a las
elevadas temperaturas que se manejan en el Horno Cementero.
En los Hornos Cementeros modernos, sin embargo, el 60% del calor total se
aporta en las cámaras de precalcinación, para suministrar el mayor
requerimiento de calor que representa la descarbonatación; la diferencia
radical que existe entre el Horno y el Precalcinador como reactores de
combustión, también exigen un tratamiento totalmente diferente cuando se
trata de quemar gas natural.
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11.4.1 Gas Natural en Hornos Verticales de Cemento
Los hornos verticales de cemento son similares en cuanto a diseño y
concepción funcional a los hornos verticales de cal, pero confrontan una
dificultad notable en cuanto a su funcionamiento, porque a diferencia de la
calcinación que es un proceso muy simple como reacción química, la
clinkerización requiere mayores temperaturas, formación de fase líquida y
reacciones químicas complejas con formación de compuestos
mineralógicos relativamente complicados.
Aunque tales dificultades se reflejan principalmente en la calidad
heterogénea del clinker producido, los hornos verticales de cemento
representan una posibilidad importante para mercados localizados en áreas
restringidas. Como referencia, podemos mencionar que en China se
instalaron más de 10 mil hornos de este tipo que representaron verdaderos
núcleos de desarrollo local, con importantes objetivos de desarrollo socio economico a los largo ancho de todo su territorio.
Generalmente se operan, con dificultades adicionales, utilizando carbón
mineral como combustible que se alimenta mezclado con las piedras de
caliza, pizarra y mineral de hierro. La disponibilidad de gas natural, con su
limpieza, facilidad de inyección y combustión, representa una inmensa
posibilidad de optimización técnica, económica y ecológica.
Figura 11.22
El gas natural representa un aporte formidable para hornos verticales
La disponibilidad de modernos sistemas de control operativo ha permitido
modernizar los diseños de estos hornos, utilizados antes de aparecer el
horno rotatorio, pero su utilización no resulta competitivo con hornos
rotativos, por resultar muy complicado manejar la presencia de fase líquida
en este tipo de reactores.
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11.4.2 Combustión de Gas Natural en el Horno Rotativo
El Horno Cementero constituye un reactor ideal de combustión por varias
razones:
La alta temperatura requerida para mantener las condiciones de
fusión parcial del material en proceso ( >1350°C) exigen altas
temperaturas de llama (1700-1800°C), todo lo que favorece la cinética
química de la reacción de combustión.
La exigencia de protección de la chapa metálica obliga a mantener el
forro
refractario básico con formación de costra protectora del propio
clínker sobre el mismo, con relativamente menor coeficiente de
transferencia de calor (superficie porosa) y alto nivel de emisividad.
Las reacciones de clinkerización que se desarrollan en la zona crítica
son exotérmicas.
El Horno cementero . reactor ideal de combustión pero un pésimo
intercambiador de calor por convección
En tales circunstancias puede quemarse cualquier combustible difícil de
quemar, lo que convierte al horno cementero en el incinerador ecológico
ideal, pero al confrontar la situación antagónica, quemar el combustible
más fácil de quemar, la velocidad de reacción es tan rápida que la presencia
de partículas de coque en estado incandescente resulta fugaz. Siendo estas
partículas las que producen la imagen, coloración y emisividad que
caracterizan las llamas que observamos cuando quemamos combustibles
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sólidos y líquidos, las condiciones que determinan la cantidad de calor
transferido por radiación, temperatura y emisividad, resultarán menos
favorecidas quemando gas natural.
En Calderos y otros tipos de hornos la temperatura de llama no marca una
diferencia en este aspecto, porque generalmente se utiliza mayores niveles
de exceso de aire para quemar carbón (30%) y petróleos residuales (20%) y
se alcanzan similares temperaturas de llama al utilizar un 10% de exceso de
aire con gas natural. En el Horno Cementero, reactor ideal de combustión,
resulta posible conseguir combustión completa con cualquier combustible
y bajos niveles de exceso de aire, por lo cual tal compensación desaparece.
Este constituye un factor clave para determinar que no se puedan mantener
condiciones satisfactorias de producción y eficiencia en un horno
cementero, quemando exclusivamente gas natural en el quemador
principal; así lo hemos comprobado en numerosas experiencias en varios
pases latinoamericanos.
Una de estas experiencias nos permitió también comprobar que tal
deficiencia del gas natural en las condiciones operativas del horno,
representan una excelente oportunidad de combinar las características de
combustión del gas natural y las de combustibles que en el otro extremo,
resultan muy difíciles de quemar por no disponer de suficientes volátiles
para acelerar su combustión, como en el caso de pet coke, carbones
minerales tipo Antracita, o petróleos residuales con altas composiciones de
compuestos aromáticos y asfálticos, tales como Residual de Vacío o
Asfalto. La alternativa de utilizar el gas natural como flujo aportante de
energía cinética, eliminando totalmente el aire primario frío y utilizando
como aire de combustión el 100% de aire secundario a un promedio de 800
°C , tomando en cuenta hornos de vía seca y húmeda, representa una
ventaja que entienden muy bien los fabricantes de cemento y los
proveedores de quemadores.
11.4.3 Combustión en el Precalcinador
El Precalcinador podría caracterizarse como un reactor de
descarbonatación, y al contrario del Horno, resulta un pésimo reactor de
combustión por las siguientes razones:
En el Precalcinador se produce el 95% de la reacción de
descarbonatación que resulta fuertemente endotérmica (650
Kcal/Kg), por lo cual constituye un reactor frío.
Los niveles de temperatura requeridos para la precalcinación son
muy inferiores a los del Horno, resultando suficiente 1000°C para
completar la descarbonatación, lo cual resulta cinéticamente muy
lento para la combustión.
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La condición de suspensión de las partículas de crudo en el interior
de la llama determina condiciones de extrema dificultad para
transferir calor y favorecer la cinética de la reacción de combustión,
por lo cual resulta muy difícil completar la combustión con
combustibles tradicionales.
Para las exigencias que debe cumplirse en el precalcinador, el gas natural
resulta el combustible ideal, permitiendo
asegurar un control eficiente sobre la
precalcinación, sin formación de fase
líquida que produce pegaduras y riesgos
de atoros en la parte final del
precalentador.
Figura 11.23
Precalentador con Precalcinador, conjunto
indispensable en los Hornos Cementeros
modernos de cualquier capacidad.
11.4.4
Conveniencia de empleo del gas natural en el Horno cementero
Para plantear en forma adecuada la utilización del gas natural en hornos
cementeros, aprovechando sus ventajas y compensando sus desventajas,
debemos considerar los siguientes puntos:
La menor emisividad de llamas de gas natural resulta un factor
determinante para establecer que no se puede mantener los niveles de
producción de clínker y condiciones térmicas de la zona crítica, al
sustituir combustibles sólidos o líquidos por gas natural, por disminuir
la transferencia de calor por radiación.
Esta desventaja del gas natural se convierte en una posibilidad
extraordinaria de optimización de costos, disponiendo de un quemador
con el diseño adecuado para combinar el gas natural con combustibles
muy difíciles de quemar y consecuente bajo precio, con altos niveles de
emisividad pero con bajo contenido de volátiles.
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La posibilidad de utilizar el gas natural como flujo dominante y aportante
de energía cinética para formación de llama, permitirá utilizar
quemadores sin aire primario, con la ventaja térmica de utilizar el 100%
de aire secundario caliente para la combustión y ahorrar íntegramente la
energía eléctrica del soplador o ventilador.
Las condiciones térmicas en el precalcinador determinan que constituya
un pésimo reactor de combustión , resultando muy difícil completar la
combustión utilizando combustibles sólidos y líquidos; la facilidad de
inyección, limpieza y velocidad de combustión del gas natural y la mayor
proporción de transferencia de calor por conversión, lo convierten en el
combustible ideal para esta etapa del proceso.
Para Hornos antiguos sin precalcinador, el gas natural representa una
posibilidad inmejorable para mejorar los niveles de producción y
eficiencia, instalando quemadores en el precalentador o disminuyendo
los niveles de inversión para incorporar una cámara de precalcinación
en el sistema de producción de clínker.
La disponibilidad de gas natural
representa una ventaja formidable
para cualquier fábrica de cemento
del mundo, aplicando la tecnología
correcta y los criterios adecuados.
11.4.5
APLICACIÓN INDUSTRIAL: QUEMADORES SIN AIRE PRIMARIO
Los fabricantes de quemadores han competido en desarrollar diseños que
utilicen para su funcionamiento el mínimo de aire primario, con el propósito de
favorecer la mayor recuperación de calor aumentando la proporción de aire
secundario caliente para aportar el oxígeno requerido por la combustión.
Los quemadores unicanal utilizados con circuitos de molienda directa utilizaban
alrededor de 35% de aire primario, en el cual se incorporaba el vapor extraído
en el secado.
Al instalar circuitos de molienda indirecta y desarrollar quemadores multicanal,
se disminuye el aire primario a valores entre 12 y 14%. Los quemadores
Swirlax de FLS y la tobera de 3 circuitos de Pillard son los más utilizados en
esta etapa.
Pillard sustituye la regulación de flujos con válvula tipo mariposa por un diseño
que permite hacerlo con el desplazamiento longitudinal de los tubos
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concéntricos en el quemador ROTAFLAM. El ahorro de energía cinética que
consigue permite la adecuada formación de llama con un 7 a 8% de aire
primario.
KHD decide instalar un soplador para el aire axial (JET) y un ventilador para el
radial y alcanza valores de 6 a 8% de aire primario total, considerando también
el aire de transporte de carbón.
FLS pretende utilizar aire aportado por un soplador para axial y radial,
anunciando que su quemador CENTRAX puede trabajar con 3,5% de aire axial
y radial, más el aire de transporte (1,5%).
Todos estos esfuerzos se han basado en el fundamento y principio general del
funcionamiento de todos los quemadores, basado en que la reacción química y
el proceso fisicoquímico de la combustión se controlan y dominan con el control
de flujos y el aporte de energía cinética contenida en el aire primario.
La disponibilidad de gas natural permite eliminar el aire primario, aportando la
energía cinética requerida para formación de llama aprovechando el impulso
que le proporciona la presión de suministro del gas, utilizando el 100% de aire
secundario como aire de combustión.
Cuando se trata de quemadores de gas, el aire primario no resulta necesario,
pues la energía cinética requerida para controlar la formación de llama puede y
debe aportarse con el gas. Utilizar aire primario en un quemador de gas
natural resulta innecesario y por tanto inconveniente, al afectar el adecuado
control sobre la llama y la recuperación de calor.
Las principales ventajas y alternativas de esta innovación tecnológica resultan
técnica y económicamente favorables :
Ventajas
Máximo aprovechamiento del calor recuperado en el enfriador
Ahorro de Kw-h al eliminar los ventiladores y sopladores de aire primario
Aprovechamiento de la energía potencial disponible en el suministro de
combustible
Simplificación del diseño del quemador
Control operativo más simple y funcional
Alternativas
Mejora significativa de consumos específicos de energía térmica (kcal/kg) y
eléctrica (kW-h/t).
Manejo de llamas más calientes y cortas
Utilización eficiente del pet-coke y Antracitas más difíciles de quemar. El gas
natural aporta los volátiles pobres en estos combustibles.
Utilización del gas con llamas más emisivas.
Ampliación de las posibilidades de utilización de combustibles alternativos.
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En las plantas industriales el gas natural se suministra a 60 psi , equivalentes a
unos 4000 mbar; un soplador de pirojet impulsa aire primario a menos de 1000
mbar. Esta abundante energía cinética no figura en la facturación de la
empresa de gas, la cual sólo cobra el poder calorífico del combustible.
El ahorro inmediato de energía eléctrica ya resulta considerable. En un
quemador pirojet de regular capacidad el consumo de kW-h de los motores del
soplador y ventilador utilizados podría ser de alrededor de 35 kW-h. Tomando
un costo promedio de 0.06 US$/kW, el ahorro anual por la modificación del
concepto funcional del quemador podría representar unos 20.000 US$/año,
además de los que involucran el mantenimiento y depreciación de equipos.
Instalaciones e instrumentación.
Así como en los quemadores de gas resulta absurdo utilizar aire primario,
también en los quemadores duales gas-carbón o gas- petróleo se puede y
debería eliminar el aire primario, resultando la única condición requerida para
ello, disponer de un diseño adecuado de quemador.
La excelente disponibilidad de energía cinética con el gas permite considerar
muchas alternativas en cuanto a conformación del quemador, similares a las
que se han manejado y evolucionado al efectuar el mismo trabajo con aire
primario, con la salvedad de resultar necesario tener en cuenta que al utilizar
aire primario se dispone de oxígeno adicional, mientras que en el caso de gas,
el exceso será de combustible.
Esta diferencia puede representar una ventaja adicional en lo referente a la
disminución de la generación de NOx.
En principio, todos los quemadores diseñados para utilizar aire primario axial y
radial, podrían sustituirlo por gas que cumpla la misma función y tarea,
aportando la cantidad equivalente de energía cinética, tomando en cuenta la
diferencia de densidad entre ambos fluidos.
La combinación del quemador ultrasónico de gas con toberas axiales y radiales
en la parte central con el flujo de aire de transporte de carbón en la parte
exterior anular de un tubo correctamente dimensionado resulta una alternativa
simple y funcional (Figura 11.24).
Figura 11.24
Quemador a Gas Kloeckner Humbold Deutz
La utilización del gas como aportante de energía cinética favorece la utilización
de combustibles sólidos y líquidos muy difíciles de quemar y combustibles
alternos constituidos por aceites residuales tóxicos y peligrosos, asegurando su
combustión completa y conversión total en CO2 y H2O, productos de
combustión totalmente inertes. En la Figura 11.25 se muestra el cabezal de un
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quemador diseñado para utilizar en forma combinada gas axial y aire radial,
aportando en forma combinada la energía cinética para conformación de llama,
permitiendo utilizar simultánea o alterna combustibles sólidos, líquidos y gas
natural.
Figura 11.25
Tobera de quemador con gas y aire primarios
La disponibilidad de gas natural con elevadas presiones, establece la
posibilidad de reemplazar el aire primario por gas natural, permitiendo el
aprovechamiento del 100 % del aire secundario para recuperación de calor del
enfriador.
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12.5 COGENERACIÓN EN PLANTAS CEMENTERAS
La industria cementera es un consumidor intensivo de energía térmica y
eléctrica, lo que determina condiciones potencialmente favorables para
proyectos de cogeneración; sin embargo, existen muy pocas experiencias en
este campo, debido a que en las plantas antiguas no se presentan
condiciones favorables y a los cementeros no les interesaba vender energía
eléctrica. Para plantas modernas con precalcinación y ejecutivos con mayor
amplitud de criterio empresarial , proponemos un enfoque diferente.
11.5.1 SISTEMAS DE COGENERACIÓN ADECUADOS
Los sistemas que utilizan turbinas de vapor están descartados en plantas
cementeras con niveles termodinámicos más exigentes que los del vapor
saturado y muy pocos requerimientos térmicos auxiliares. La utilización de calor
recuperado de gases de chimenea también resulta termodinámicamente
insuficiente.
En realidad, el sistema de cogeneración que podría aplicarse consiste en la
instalación de turbinas de ciclo simple, en las cuales se utiliza la energía
cinética de los gases de combustión, desperdiciando el calor liberado por las
chimeneas, con gases a temperatura mayores a 800 °C, lo que explica sus
bajos niveles de eficiencias (38%).
Estos gases calientes con un 16% de Oxígeno podrían reemplazar al aire
terciario de la precalcinación. La viabilidad técnica de este proyecto estaría
asegurada si podemos demostrar que resulta más conveniente utilizar los
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gases de salida de una turbina, autogenerando energía eléctrica, que utilizar
aire transportado desde el enfriador o el cabezal.
11.26
En el corazón de un ducto de aire terciario
11.5.2 AIRE TERCIARIO versus GASES DE TURBINA
Para establecer la conveniencia del aire terciario efectuemos un pequeño
balance térmico que nos permita comprobar la importancia económica de
recuperar el calor del clínker para disponer de aire caliente en el precalcinador.
Un sistema típico con precalcinador, donde se consume el 60% de aporte
térmico, con una capacidad de producción de 100 TM de Clínker por hora y un
consumo específico de 800 Kcal/Kg de Clínker, nos permite el siguiente
análisis:
Requerimiento de aire de combustión :
Requerimiento total de aire de combustión :
Requerimiento Aire en el Horno :
Requerimiento Aire en el Precalcinador:
1 m3N/1000 Kcal
80.000 m3N/h
32.000 m3N/h
48.000 m3N/h
Recuperación de calor en el aire terciario :
48.000 m3N/h . 700°C . 0.31 Kcal/ m3N/h.°C = 10´416.000 Kcal/h
Esta recuperación se perdería en caso de utilizarse aire atmosférico.
¿Cuánto representa respecto al consumo específico total?
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10´416.000 / 800´000.000 = 1.3 %
¿Cuantos Kw-h se pueden generar para disponer de este volumen de
fases equivalentes al aire terciario?
Tomando en cuenta que el calor contenido representa alrededor del 60 % del
calor total aportado a la turbina y el 37% el calor útil, el mismo representará
alrededor de 7.000 Kw-h.
Si consideramos un precio promedio por Kw-h adquirido de la red de US$ 0.06,
tomando en cuenta el cuadro comparativo d costos de generación, podemos
deducir que solamente se justificará la evaluación del proyecto de
Cogeneración con el sistema seleccionado operando con gas natural, debiendo
descartarse en el caso del Diesel 2.
Tomando como referencia un valor de US$ para el Kw-h Cogenerado y
aportando el aire terciario equivalente, el ahorro en el suministro eléctrico de 7
Mw-H será de US$140 que permitirían recuperar la inversión requerida en un
plazo aproximado de 18 meses.
15.1.3 Posibilidades de Cogenerar en Plantas Cementeras
La disponibilidad de gas natural establece la posibilidad de cogeneración en
cualquier planta industrial y particularmente en aquellas que requieren para su
funcionamiento importantes cantidades de energía térmica y eléctrica. La
industria cementera cumple tal condición, representando ambas siempre más
del 50 % de los costos operativos.
La evaluación de esta posibilidad en hornos cementeros resulta
verdaderamente sorprendente, justificando totalmente la formulación de
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proyectos de inversión que determinen la factibilidad técnica y justifiquen su
implementación en rentabilidad económica, por los siguientes argumentos:
1. La condición de autogeneración eléctrica resulta imprescindible en
cualquier planta cementera, en márgenes que podrían involucrar
capacidades mínimas de emergencia, gasta suministro del requerimiento
total de lanta, en lugares sin atención de servicios de distribución por
redes.
2. La Cogeneración representa cumplir tal condición con costos por kw.h
generado muy bajos, normalmente 5 veces menores a los suministrados
por red y 10 veces menores a los zutogenerados por grupos diesel.
3. Suministrar aire terciario a partir de la operación de una turbina de gas,
cogenerando energía eléctrica para operación de planta, resulta más
conveniente que enviar aire recuperado desde el enfriador por un ducto
aislado.
4. La Cogeneración en una planta cementera representa una posibilidad
que debe considerarse, pudiendo constituir un proyecto rentable, si se
presentan condiciones de suministro de gas natural a precios
convenientes y se tienen altos costos de contratación del suministro
eléctrico de la red pública.
La inversión de un ducto de aire terciario en una planta cementera resulta un
buen negocio para los proveedores de equipos, pero una mala inversión para
plantas cementeras que disponen del suministro de gas natural en sus
instalaciones.
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Capítulo
12
Gas natural
en metalurgia
Los metales se encuentran ocultos en la naturaleza; la Minería
se encarga de encontrarlos y extraerlos; la Metalurgia debe
separarlos, concentrarlos, fundirlos, refinarlos y ponerlos a
disposición del insaciables mercado de consumo mundial.
La limpieza, simplicidad de manejo y facilidad de combustión
del gas natural permite desarrollar todos los procesos y
operaciones unitarias que resultan necesarios, con mayores
niveles de eficiencia y preservación ambiental.
Todos los metales son preciosos
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12.1 Combustión de Gas Natural con Oxígeno en los Hornos
de Fundición
Todo el desarrollo de la tecnología de la combustión se ha basado en la
utilización del aire atmosférico como comburente, pero existen 2 razones
principales para mejorar su capacidad química como portante de oxígeno para
la combustión: Combustión en altura y Procesos de alta exigencia térmica.
Combustión en altura
El aire tiene un contenido de oxígeno de 20.9 % en volumen y 23 % en
masa en condiciones atmosféricas normales, a nivel del mar. El
enrarecimiento del aire al disminuir su presión con la altura afecta
proporcionalmente su capacidad de aporte de masa de oxígeno para la
combustión; a nivel del mar 1 m3 de aire contiene 300 gramos de oxígeno,
disminuyendo esta masa en un 20 % por cada 1000 metros cúbicos de
altura, como se puede observar en la Figura 12.1
Figura 12.1
Efecto de la altura sobre la presión atmosférica
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Todos los procesos y equipos industriales diseñados para trabajar con aire
normal serán afectados al recibir menos masa de oxígeno para la reacción
química de combustión, pero también menos impulso para establecer las
condiciones de mezcla y formación de llama. Sin embargo, la tecnología para
compensar tales deficiencias resulta relativamente simple; solamente tendrá
que utilizarse ventiladores que normalicen las condiciones del aire previstas en
el diseño.
Procesos térmicamente exigentes
Existen muchos proyectos, principalmente los de fusión de materiales, que
requieren de niveles térmicos muy exigentes para completarse en tiempos
suficientemente rápidos para mantener condiciones productivas favorables.
La temperatura de llama con aire con 21 % de oxígeno, no resultará suficiente
para alcanzar elevadas temperaturas que favorezcan la transferencia de calor
por radiación.
Las condiciones de combustión con oxígeno que se presentan en la práctica
son :
Enriquecimiento del aire con inyección de oxígeno en la succión del
ventilador del quemador.
Inyección de oxígeno directamente en la llama, utilizando quemadores
Oxi – Fuel.
Combustión con Oxígeno como comburente. En este caso, las altas
temperaturas de llama exigen diseños especiales de refractarios que
soporten condiciones muy exigentes de calentamiento, utilizando
materiales especialmente resistentes y diseños flotantes.
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Cuadro N° 12.1
Temperaturas de Llamas
COMBUSTIBLE
COMBURENTE
TEMP.
ºC
INDICE
EXCESO AIRE n
TEORICA
ºC
REAL
ºC
Acetileno
Monóxido de
Carbono
Hidrógeno
Hidrógeno
Gas Natural
Gas Natural
Metano
Etano
Propano
Aire
Aire
15
15
1,00
1,00
2630
2470
2320
2100
O2
Aire
Aire
Aire
Aire
Aire
Aire
15
15
15
15
15
15
15
---1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
2974
2210
1961
1961
1915
a
1980
---2045
1735
1880
1880
a
1925
Butano
Fuel oil pesado
Fuel oil pesado
Fuel oil pesado
Fuel oil pesado
Aire
Aire
Aire
Aire
Aire
15
15
15
300
300
1,00
1,00
1,30
1,00
1,30
2015
1690
2120
1845
En este caso específico, la única desventaja reconocida del gas natural, su
baja emisividad de llama, resulta favorable para la operación de los hornos de
fundición por las siguientes razones:
Siendo la temperatura de llama con oxígeno cercana a los 3.000 °C y
tomando en cuenta que la trasferencia de calor por radiación resulta
proporcional a la temperatura a la cuarta potencia, la radiación de calor
resulta formidable para la fusión del baño, pero demasiado exigente para
el refractario. El gas natural permitirá aliviar este esfuerzo térmico,
favoreciendo la duración del refractario flotante que se instala en estos
hornos.
La llama de Fuel Oil resulta demasiado larga para el diseño del horno y
determinará que los quemadores instalados en el techo provoquen el
impacto de llama sobre el baño, lo que provoca un rebote que finalmente
produce daños sobre el refractario del techo (Figura 12.5). La llama del
gas natural, extremamente corta, no llega a impactar sobre el baño.
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Figura 12.2
Impacto de llama en hornos de fundición
La facilidad para instalación de quemadores de gas natural en cualquier punto
y posición del horno, también representa una ventaja respecto a combustibles
líquidos, para los cuales tienen que asegurarse condiciones adecuadas para
asegurar atomización perfecta y combustión completa.
Actualmente, la tendencia mundial se orienta a la instalación de Hornos de
Cuba Verticales, para lo cual resulta ideal la utilización de combustibles
gaseosos con llamas cortas y potentes.
Los factores favorables comentados del empleo del gas natural en hornos de
fundición con enriquecimiento del aire o uso del oxígeno como combustible,
permiten establecer con seguridad que en estos procesos siempre resultará
conveniente y rentable este tipo de proyectos, a cualquier altura, longitud y
latitud.
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12.2 Combustión de Gas natural en Hornos de Crisol
En los hornos de crisol el calentamiento es indirecto; la combustión se produce
en la parte externa del crisol y el producto se funde o sublimiza en la parte
interna, pudiendo utilizarse cualquier combustible. En la Figura 12.3 se
observa un típico horno de crisol calentado por carbón en forma rudimentaria,
pudiéndose quemar cualquier cosa en la fogata que aporta el calor.
Figura 12.3
Crisol calentado por
carbón
En plantas metalúrgicas de
mayor capacidad se utiliza
crisoles para diversos usos,
para fundir metales tales como el oro y el plomo, producir oxido de Zinc por
sublimización, fusión de aleaciones para diversos empleos, afinado de metales
que requieren extrema limpieza, etc.
Generalmente se considera que la llama en el hogar debe impactar la pared del
crisol para favorecer su calentamiento, pero ese es un concepto totalmente
equivocado. La llama debe orientarse hacia la pared exterior del hogar y la
combustión debe completarse lo más rápido posible, transfiriendo calor por
radiación hacia el crisol; los gases de combustión son los que deben trascurrir
con la mayor turbulencia en contacto con las paredes del crisol y para ello
cualquier innovación resulta favorable.
En el diseño de crisoles, los materiales deben seleccionarse tomando en
cuenta su resistencia al calor y su coeficiente de transferencia de calor,
manteniendo un equilibrio adecuado entre ambos parámetros. En la misma
forma que el caso de los hornos de calentamiento de palanquillas, también se
justifica la recuperación de calor para precalentamiento del aire o el
combustible (en algunos casos el material).
Cuando se utiliza gas natural como combustible la recirculación de calor
instalando un intercambiador gas/aire en la chimenea, resulta obligatorio por la
siguientes razones:
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La menor emisividad de llama del gas natural, para condiciones
similares de regulación de la combustión tendría menor emisividad de
llama y resultará limitada la cantidad de calor trasferido a través de la
pared del crisol. L aoperación con menores excesos de aire podrían
compensar el factor térmico.
La recuperación de calor de los gases de chimenea y consiguiente
precalentamiento del aire, permitirán elevar a temperatura real de llama,
compensando la menor emisividad.
La limpieza de los gases de combustión permiten utilizar materiales para
los crisoles, menos resistentes a factores corrosivos, con mayores
coeficientes de transferencia de calor.
En hornos de crisol, a diferencia de las llamas que se enfocan hacia la pared
exterior para evitar el impacto de cenizas fundidas y corrosión a altas
temperaturas, resulta posible crear mayor turbulencia, o que favorecerá la
transferencia de calor por convección. Como se puede apreciar en la Figura
12.4 el quemador se orienta, en el caso particular del gas natural, por la
rapidez de combustión y limpieza de gases, puede enfocarse sobre la parte
central o el propio crisol. El ángulo de subida debe mantenerse lo más estrecho
posible, para lograr que los gases dejen el horno por sobrepresión, lo que evita
pérdidas exageradas con los gases de salida.
Figura 12.4
Horno de Crisol con Gas Natural
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12.3 PRODUCCIÓN DE HIERRO ESPONJA CON REDUCCIÓN
DIRECTA DE PELLETS ENERGIZADOS CON GAS
NATURAL
La mejor técnica de ahorro de energía involucra eliminar
procesos industriales completos, simplificarlos y/o eliminar
operaciones del mismo, modificando tecnología para conseguir
el mismo producto con una ruta diferente. La participación en
proyectos de optimización energética en todo tipo de industrias,
algunas complementarias, nos permite visualizar posibilidades
verdaderamente técnicamente interesantes y económicamente
muy atractivas como la presente.
12.3.1 Hierro metálico para producción de acero
La fabricación de acero se efectúa a partir de la fusión de hierro metálico,
chatarra y/o Hierro Esponja. Todavía la mayor proporción de acero se produce
a partir del producido en los llamados Altos Hornos por sus grandes
dimensiones, donde se alterna capas de mineral de hierro y coque, con cal
como fundente y para eliminación del azufre en forma de sulfatos de calcio,
para producir la reducción del mineral y producir el llamado Hierro Blister (Figura
12.5).
Figura 12.5
Alto Horno de Hierro
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La segunda alternativa es utilizar la chatarra de hierro, de material recirculado
de los múltiples usos de hierro utilizado (automóviles, postes, estructuras de
todo tipo, etc.)
Al producirse escasez de chatarra por la guerra de Corea, en México se
desarrolló la técnica de reducción directa del Hierro Esponja, con carbón
mineral.
Como se ha visto en el Capítulo X al enforcar la combustión en Hornos de
Hierro Esponja, esta tecnología puede aplicarse en hornos tubulares,
alimentando pellets de mineral de hierro, para obtener hierro esponja (Figura
12.6)
Figura 12.6
De pellets a Hierro Esponja
Para efectuar esta reducción directa, se utilizan grandes hornos tubulares con
alimentación conjunta de estos dos materiales y aporte térmico para manejar
las condiciones termodinámicas adecuadas en el interior del horno (Figura 12.7)
Figura 12.7
Horno de Hierro Esponja
La
tendencia
moderna
es
reemplazar este proceso por la
utilización de Horno Verticales, utilizando como fuente reductora Gas de
Síntesis, producido a partir de gas natural en una atmósfera de vapor de agua,
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obteniendo un gas rico en Hidrógeno y CO, que además de ser
extremadamente peligroso, se justifica como insumo para producción de
metanol y Amoníaco, teniendo que obtenerse a un precio muy bajo el gas
natural para justificar el empleo de Gas de Síntesis como reductor; en otras
palabras, técnicamente el proceso de reducción directa en hornos verticales
tiene muchas ventajas sobre los hornos horizontales tubulares que son
pésimos intercambiadores de calor, pero económicamente resulta un lujo difícil
de justificar.
12.3.2 Investigación aplicada: nueva tecnología
La experiencia desarrollando proyectos de optimización en las operaciones de
producción de concentrados de Hierro, su aglomeración en tambores de
pelletización y su posterior secado en parrillas viajeras, así como su reducción
a hierro esponja en hornos tubulares, nos ha permitido concebir una forma
más simple, práctica y efectiva de producción de hierro metálico, eliminando
gran parte de la enorme maquinaria utilizada y disminuyendo radicalmente los
costos de inversión, operación y mantenimiento.
Contando con la colaboración de un importante productor de mineral de hierro
hemos efectuado un trabajo de investigación para desarrollar una integración
de procesos, consistente en producir ―pellets energizados‖ que permitan su
reducción directa en equipos relativamente simples, con menores implicancias
de carácter ecológico.
Los resultados del trabajo de campo y las pruebas de laboratorio, nos
permitieron comprobar la factibilidad de integrar en la producción de pellets en
el tambor pelletizador, una proporción calculada de carbón pulverizado,
suficiente para producir la
reducción directa del mineral en la etapa de secado (.
Sin embargo, no resultó posible realizar simultáneamente esta prueba por no
estar diseñados los hornos secadores para efectuar ambos procesos
simultáneamente y no poder modificar el trabajo de los secadores existentes,
convirtiéndolos directamente en hornos de secado y reducción del mineral de
hierro, produciendo directamente Hierro Esponja. Los inconvenientes fueron de
carácter termodinámico y mecánico, no existiendo las condiciones en los
quemadores para elevar la temperatura, ni los motores adecuados pata
disminuir la velocidad de giro y aumentar el grado de llenado, para desarrollar
ambos procesos dentro del mismo reactor.
El proyecto de investigación sigue en marcha y los resultados han justificado
que se considere el diseño de un nuevo reactor con las características ideales
para conseguir que el proceso de secado posterior a la pelletización sea
reemplazado por un reactor que funcionando con gas natural, produzca
directamente Hierro Esponja, en lugar de Pelets de Oxido de Hierro.
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12.3.3 Producción de los pellets de Hierro Energizado
Para dosificar el carbón al tambor pelletizador (Figura 12.8) se determina la
proporción necesaria utilizando la siguiente reacción:
Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe
Figura 12.8
Tambor Pelletizador
Efectuando
los
cálculos necesarios
podemos establecer
como premisa una
relación
de
dosificación Oxido
de Hierro/ Carbón mineral pulverizado de 5:1. La prodycción y tamaño de
Pellets dependerá de 3 factores:
Finura de partículas de mineral de hierro y carbón.
Cantidad de agua
Velocidad de giro
La posibilidad de utilización de otros fluidos combustibles en sustitución del
agua, permitiría efectuar la pelletización en seco, utilizando sistemas de
extrusión o compactación, eliminando la etapa de secado actual. Para el
secado de pellets actual se utiliza hornos de parrilla como la que se muestra en
la Figura 12.9.
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Figura 12.9
Parrilla secado Pellets
12.3.4 Reactores para reducción
Resulta necesario establecer que la reacción de reducción directa ya se está
produciendo en el interior de los pellets energizados, pero a velocidad
extremadamente lenta a temperatura ambiente. En el secado a temperaturas
limitadas se incrementará la cinética de reacciones del carbón con el oxígeno
del aire y el agua, produciéndose formación de algo de CO e inclusive
Hidrógeno que ya actúan como reductores, ―arrancándole‖ el oxígeno al óxido
de hierro que constituye el mineral de hierro concentrado.
Los pellets energizados y secos podrán ser sometidos a un proceso de
reducción directa, pudiendo realizarse esta operación en un reactor
especialmente diseñado vertical o los mismos hornos tubulares actuales:
Reducción en Horno Vertical
El diseño de un reactor ideal, considerando que el mineral de hierro y el carbón
ya se encuentran juntos en el interior de los pellets, tendrá que orientarse al
tipo de horno vertical, similar al que se efectúa con los pellets tradicionales,
pero sin necesidad de producir para su operación el gas de síntesis.
La versatilidad del gas natural permitirá aportar el calor necesario para
mantener la combustión parcial del carbón, efectuando el CO generado la
reducción, en el interior de cada nódulo.
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Reducción en Horno Tubular
La reducción directa de pellets energizados podría afectarse en una estufa,
pero debe efectuarse en un reactor industrial, para los volúmenes de materiales
que se procesan en la industria siderúrgica (Figura 12.10).
Se pueden utilizar los mismos hornos actuales, pero con la gran ventaja de
disponer de pellets con el agente reductor integrado, eliminando la dosificación
de carbón para reducción exterior y calentamiento. El gas natural permitirá
controlar la temperatura en los niveles adecuados para alimentar pellets
energizados y descargar hierro esponja.
Figura 12.10
Hornos de hierro esponja
12.3.5 Ventajas del desarrollo tecnológico
La tecnología propuesta cumple la máxima aspiración del concepto de
conservación energética, al permitir eliminar un proceso y varias operaciones al
mismo tiempo, generando un ahorro inmenso en los costos de obtención del
hierro esponja, que podría despedir a los arcaicos sistemas todavía
produciendo la mayor proporción de Hierro Esponja para fabricación de acero.
Producir directamente pellets de hierro metálico en el campo metalúrgico en
cierta forma lo interconecta con el siderúrgico.
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La comercialización de ―pellets energizados‖ facilita la tarea siderúrgica, pero
compromete la participación directa de los ingenieros de planta, quienes deben
disponer de la capacidad suficiente para diseñar los reactores adecuados; si
como sucedía en el siglo XX se encarga esta tarea a los fabricantes de
maquinaria y equipo, siendo buenos empresarios, procurarán complicar las
cosas en lugar de simplificarlas, para obtener los mayores beneficios.
El diseño del reactor adecuado tendría que cumplir algunas condiciones y tener
las siguientes características:
Temperatura: La indicada para generar la reacción parcial de oxidación
(combustión incompleta) que produzca CO y algo de hidrógeno.
Presión ligeramente positiva para evitar el ingreso de aire falso, lo que
también establece la necesidad de hermeticidad en el reactor.
Control de la atmósfera interna: Controlando presión y temperatura debe
mantenerse la atmósfera reductora necesaria para que todo el oxígeno
del óxido de hierro sea extraído y convertido en CO2 y H2O.
Contacto de gases con los pellets : El control de la atmósfera interna del
horno debe mantener una condición casi estacionaria, determinando que
lo único que fluya fuera de la zona de reacción sea CO2.
El sistema ideal de diseño que hemos considerado es el de una parrilla viajera
cerrada con combustión estacionaria que permita mantener los parámetros en
los niveles adecuados, dimensionando el sistema en función de la capacidad
de producción proyectada (Figura 12.11).
También se podría diseñar un reactor tubular con diámetro muy pequeño para
favorecer el contacto y controlar la velocidad de paso de los gases,
aprovechando el giro del horno para el avance del material, determinado por su
pendiente.
Figura 12.11
Parrilla viajera con atmófera
reductora
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12.4 HORNOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO
Los hornos de tratamiento térmico de cualquier tipo de materiales metálicos,
tales como bolas de acero, piezas de acero para trabajo abrasivo, muelas de
chancadoras, uñas de Payloaders, etc. tienen que cumplir una curva térmica
adecuada para cada operación y material, para proporcionarles las
características requeridas en su forma de empleo.
El diseño del proceso y de los equipos para desarrollar el tratamiento térmico
deben considerar que en este caso no se requiere un aporte térmico
considerable para el proceso mismo, sino mantener la temperatura que permita
establecer la curva de tratamiento para cada caso; por esta razón, las pérdidas
termodinámicas son las que deben ser el objetivo principal de optimización
energética, dando por descontado que en el siglo XXI, se dispone de los
equipos necesarios y los automatismos adecuados para
desarrollar un perfecto control de los niveles térmicos requeridos.
Generalmente se presentan dos casos:
Grandes piezas que deben permanecer estáticas: En estos casos se
desarrolla un control perfecto de la atmósfera del horno que contiene la
pieza, manejando el aporte térmico con el mínimo de consumo de
combustible, utilizando un equipo como el que se muestra en la Figura
12.12.
Figura 12.12
Quemador en vena de aire
Estos quemadores permiten regular la temperatura de los gases con una
variación mínima de +/- 1 °C, permitiendo alcanzar los niveles térmicos
requeridos por el proceso dentro del horno y mantenerlo compensando casi
exclusivamente las pérdidas termodinámicas, por lo que los principales
consumos se producen en las etapas de calentamiento. El enclavamiento del
quemador con el servomotor del dámper de salida de gases, permite mantener
la inercia requerida para cada operación del sistema.
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Resulta de la mayor importancia la hermeticidad de los hornos para mantener
la atmósfera que conviene a cada proceso y conseguir el máximo rendimiento
térmico, el cual debe controlarse como consumo específico de calor por carga
de producto o pieza.
Hornos de tratamiento de Bolas de acero sobre parrilla
Un caso particular de trabajo ineficiente lo constituyen los hornos de
tratamiento metalúrgico de bolas para molienda, sin razón justificada, porque
no constituyen un caso diferente, sino uno de los más simples.
El tratamiento de bolas de acero
puede ser muy simple o muy
complejo, pero debe tener siempre
la máxima eficiencia térmica.
Para este tipo de hornos resulta
siempre conveniente disponer
de gas natural, y en su defecto
GLP, pero pueden trabajar con
cualquier combustible, aunque no con los mismos rendimientos, y
considerablemente más bajos si se tiene que trabajar con calor indirecto.
Hornos de solera móvil
La condición adecuada para efectuar tratamiento térmico con el mejor control
sobre el desarrollo de curvas y rendimiento térmico, se logra con Hornos de
solera móvil donde se combina la combustión estática y controlada, con el
avance de las piezas por el horno, lo que elimina las pérdidas que producen los
hornos tipo batch, ya que la solera movible permite operar estos hornos en
forma continua. (Figura 14.33)
Figura 14.33
Hornos de Tratamiento
Térmico con Solera
Móvil
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12.5 REGULACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN HORNOS DE FUNDICiÓN
ROTATORIOS
La utilización del gas natural en
Hornos Rotatorios de Fundición
de Metales ha sido objetada por
su baja emisividad de llama, pero
la utilización de quemadores con
diseño adecuado para formación
adecuada de la forma de llama y
control de la atmósfera del horno,
puede permitir su operación en
forma satisfactoria, limpia y
eficiente.
12.5.1 Análisis de las características del horno de fundición rotatorio
Las características dimensionales del interior del horno resultan ideales
como cámara de combustión, permitiendo la disponibilidad de suficiente
volumen útil para conformar una llama de forma y tamaño conveniente
para las características del proceso. Al llenarse completamente el horno
, tal condición queda parcialmente afectada, al disminuir la disponibilidad
de espacio para ubicar la llama, pero resultando conveniente el efecto
reductor que produce el impacto de llama sobre el material en proceso,
ello no resulta verdaderamente un inconveniente y podría representar
una ventaja.
El revestimiento refractario de ladrillo de cromo-magnesita, además de
cumplir sus funciones de protección de la chapa metálica y buena
resistencia al ataque químico, presenta condiciones favorables para la
concentración térmica sobre el material, por tener una buena emisividad
y la forma cilíndrica que refleja el calor absorbido de la llama hacia el
material. Se debe revisar el diseño original de refractario respecto a las
exigencias físicas, térmicas y químicas.
La condición de circulación de gases en sentido contrario a la llama
establece una exigencia particular de mecánica de fluidos en el interior
del horno, que exige un perfecto control de la presión interna en la
cámara y de la succión creada por el tiro en la garganta de salida. Para
esta condición, la conformación de la llama cónica hueca establece
condiciones ideales para crear la recirculación de los gases quemados
por la parte exterior de la llama en el sentido de la salida hacia el
exterior, lo que debe complementarse con la regulación adecuada de
tiro, asegurando que lleguen hasta la garganta por el impulso del
quemador, siendo extraídos de la garganta sin ―jalarlos‖ del interior del
horno, para no extraer calor y material en forma innecesaria.
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12.5.2 POSIBILIDADES DE REGULACIÓN DE LLAMA CON EL QUEMADOR
PEG Y GAS NATURAL
Para las características que hemos definido de este tipo de hornos como
reactor de combustión resultaría ideal una llama muy intensa, en forma de
dardo o soplete, que provoque la comentada recirculación de gases quemados
en sentido contrario, pero quemando gas natural se tiene que tratar de
―demorar‖ la combustión‖ mediante los siguientes artificios:
Establecer la mínima disponibilidad posible de oxígeno, lo cual además
de favorecer la presencia de partículas de carbón en estado
incandescente que radien calor desde la llama, favorece el objetivo de
mantener condiciones reductoras en el reactor.
La observación del color de llama resulta de gran utilidad para
establecer la calidad radiante de la llama que se logre conseguir con gas
natural. El color amarillo que se ha logrado es el mejor, desde el punto
de vista de emisividad y temperatura de llama que intervienen en la
Ecuación que define las condiciones de transferencia de calor por
radiación:
Qr : m. e. (dT)4
Donde:
Qr : Calor transferido por radiación
m:
masa disponible radiante
e:
emisividad
dT:
Diferencial de temperatura respecto al ambiente
La siguiente escala define con claridad el comportamiento de la temperatura de
llama en este campo:
Rojo :
Cereza:
Naranja:
Amarillo:
Blanco:
Blanco deslumbrante : más de 1600 °C.
1000 – 1100 °C
1100 – 1200 °C
1200 – 1300 °C
1300 – 1400 °C
1400 – 1500 °C
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El análisis de gases permite un excelente control de los factores
mencionados.
12.5.3 CONTROL DE LA ATMÓSFERA INTERNA DEL HORNO
Para mantener condiciones estables y convenientes para el proceso en este
tipo de hornos, influirán factores correspondientes a 3 campos principales:
a)
Cinética Química
La facilidad de combustión del gas
natural
exige el diseño del quemador
adecuado para
demorar la mezcla y cinética
de la reacción.
La facilidad de combustión del gas natural permitirá
mantener la condición aire-combustible prácticamente en el estequiométrico,
resultando de la mayor importancia que la combustión se complete en el
trayecto de la mezcla en la dirección de inyección, debiendo corresponder el
flujo externo en sentido contrario y hacia la garganta del horno a gases ya
quemados.
La disponibilidad de análisis de gases a la salida del horno permitirá disponer
de valiosa información para efectuar un eficiente control sobre el cumplimiento
de tales condiciones, en el siguiente sentido:
La indicación de O2 permite controlar la existencia de atmósfera
reductora, debiendo mantenerse en un nivel mínimo.
La indicación de CO resulta de la mayor importancia porque sirve para
comprobar que se complete la combustión en el límite de la condición
estequiométrica, pudiendo aceptarse hasta 1000 ppm para garantizar
condiciones reductoras en el horno. En el ducto de gases al filtro ingresará aire
falso que permitirá su conversión total a CO2 antes del filtro; la condición
explosiva de CO se presenta a partir de 2500 ppm (0.25%). Resulta necesario
que la indicación de CO se muestre en ppm ( 1% = 10000 ppm).
La indicación de NOx resulta más importante como indicador de la
temperatura de llama que como un control de emisiones a la atmósfera, pero
deberá considerarse los valores registrados siempre asociados a los valores
registrados de CP, porque en la medida que haya CO le robará el oxigeno al
NOx quedando nitrógeno molecular (N2).
La indicación de CO2 resulta importante para el control del desarrollo del
proceso metalúrgico.
La indicación de SOx permitirá controlar los niveles de emisiones a la
atmósfera y la proporción que permanece combinada en la escoria.
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12.5.4
MECÁNICA DE FLUIDOS Y CIRCULACIÓN DE GASES
Si pudiese disponerse de una llama con el impulso y
la potencia necesarias para mantener forma y
estructura estables, tales como un soplete, el tiro
creado por la circulación de gases no afectaría su
conformación.
Al utilizarse como combustible gas natural y requerirse menor intensidad de
impulsos y velocidad de mezcla para prolongar la permanencia de partículas de
carbón en estado incandescente, para favorecer su emisividad y la
transferencia de calor por radiación, un tiro descontrolado en la garganta del
horno puede afectar la estabilidad de la forma de la llama, arrastrando una
parte en los gases extraídos por el tiro, sin que aporte calor al sistema.
De acuerdo a lo observado en la operación del horno 2, se ha comprobado que
en diversas condiciones operativas y etapas del proceso se observa que el tiro
resulta exagerado y sale llama (material combustible en proceso de
combustión) por la garganta del horno.
Dependiendo también la despolvorización de otro ambiente del tiro, resulta
difícil regular el tiro de los hornos mediante dámper y muy violento cuando se
utilizaba el variador de frecuencia del motor del ventilador extractor. Estamos
convencidos que se debe modificar el diseño de la garganta de salida del horno
para favorecer el control de extracción de gases en el nivel estrictamente
necesario para desplazar los gases eliminados por la sobrepresión del interior
del horno.
Para favorecer tal condición, resultará necesario mejorar el diseño original de la
garganta, implementando un sistema o mecanismo que rompa la succión del
interior del horno. Teniendo las dimensiones, presiones y flujos, prepararemos
un diseño para ser propuesto, analizado y discutido en reunión técnica en
planta.
12.5.5 CONDICIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR
En este tipo de horno prevalece la
transferencia de calor por radiación, como
ya se ha manifestado, por lo cual la
utilización del gas natural como combustible
resulta cómodo pero complicado en cuanto a
la emisividad de llama.
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El diseño y regulación del quemador ha permitido mejorar estos factores, pero
el análisis del balance energético y las condiciones térmicas de los gases que
abandonan el horno, arrastrando una proporción importante de calor sin
ninguna aplicación útil, nos obligan a considerar otras opciones que permitan
conseguir un mejor rendimiento global del sistema, favoreciendo la
transferencia de calor por radiación. Analizando posibilidades y recordando la
fórmula de transferencia de calor por radiación, consideramos factibles una
para mejorar la emisividad y otra para elevar la temperatura de llama.
Para mejorar la emisividad de llama resultará importante incorporar
en el centro del cuerpo del quemador un conducto que inyecte aceite lubricante
usado en el centro de la llama. Tomando en cuenta que resultará más
económico que el propio gas natural y las instalaciones para
acondicionamiento, almacenamiento y bombeo del aceite no resultan
complicadas, se debe proceder a elaborar el proyecto de inmediato.
Estimamos que la inyección de una proporción mayor al 10% permitiría
incrementar la emisividad actual de la llama, siempre inferior a 0.6, hasta un
importante 0.8, lo que icrementaría la tran sferencia de calor por radiación en
un 20%, mejorando en algo así como 7 % el rendimiento del horno, debido a
que una mayor proporción se incorporará a las pérdidas termodinámicas.
Precisamente para procurar recuperar las pérdidas con los gases de
salida, además de los aspectos ya mencionados para evitar el excesivo
arrastre de calor, se considera la posibilidad de recuperar parte del calor de los
gases de salida para precalentar el aire del quemador. Esta posibilidad resulta
alentada por los siguientes factores:
a) La salida de los gases está muy cercana al quemador, permitiendo
concebir el desarrollo de un sistema de intercambio térmico que permita
elevar la temperatura unos 200°C, lo cual permitiría un incremento de la
temperatura del lama muy significativo, además del ahorro correspondiente
de combustible.
b) Al disminuir la calidad del aire de combustión, lo que curiosamente resulta
conveniente en este caso para evitar la combustión muy rápida del gas
natural, permitiría aumentar la potencia de la llama, favoreciendo el manejo
de la mecánica de fluidos y evitar la succión del tiro.
c) Al haberse elegido ventiladores que aparentemente disponen de mayor
presión estática en la descarga, la misma puede permitir considerar la
circulación del aire por el intercambiador propuesto, antes de ingresar al
quemador.
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CAPITULO
XIII
GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA
DEL VIDRIO Y CERÁMICA
Para las exigencias de limpieza y calidad de los productos de vidrio y
cerámicos, vinculados principalmente con la alimentación y decoración
artística, el suministro de energía limpia es indispensable, por lo cual la
importancia de disponer de las ventajas que representa el gas natural en
términos económicos, técnicos y ecológicos, resulta determinante. Cualquier
empresa de estos sectores no resultará competitiva en mercados donde ya
existe la posibilidad del suministro de gas natural, si opera con cualquier otro
combustible.
Sin embargo, el gas natural no resulta bien aprovechado ; muchas
veces el diferencial de precio favorable determina un lamentable
desperdicio de sus posibilidades técnicas, siendo empleado con
instalaciones y tecnología desarrollados para combustibles líquidos.
El desarrollo de tecnología propia que permita el máximo
aprovechamiento de todas sus posibilidades y ventajas, representa
un desafío de innovación tecnológica.
13.1
GAS NATURAL EN HORNOS DE VIDRIO
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La industria del vidrio resulta uno de los campos más exigentes
para procesos de combustión por requerir altas temperaturas
para fusión y exigir aporte térmico limpio para no contaminar
los productos.
La fórmula de utilizar combustibles líquidos para los hornos de fusión y
cantidades importantes de gases ricos, propano o gas manufacturado, para la
mayoría de operaciones anexas a la fusión (feeders, máquinas automáticas,
hornos de recocer y decorar, etc.) ha resultado satisfactoria, hasta la
incorporación del gas natural.
La disponibilidad de gas natural permite no sólo utilizarlo en esas operaciones,
sino realizar en condiciones competitivas el calentamiento de los hornos de
crisoles y de balsa, rompiendo el equilibrio competitivo en forma determinante.
Las plantas de vidrio que no disponen actualmente de gas natural para sus
operaciones, simplemente tienen que cerrar o dedicarse a otro negocio.
Gas Natural
Indispensable para competir en la
industria del vidrio
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13.1.1 Hornos de balsa
Los hornos de balsa están constituidos esencialmente por una cuba en material
refractario, de forma generalmente rectangular, cubierta de una bóveda
aplanada. Sus dimensiones varían enormemente: se valoran generalmente por
la superficie del baño de fusión, que es de 10 a 100 m 2 para el vidrio hueco y
que puede alcanzar hasta 500 m2 para el vidrio plano.
La capacidad de producción, que se expresa en toneladas por m 2, es del orden
de 1 t/ m2, para el vidrio plano y de 2 a 2.5 t/ m 2, para el vidrio hueco.
Las primeras materias se introducen por uno de sus extremos, estando el otro
unido a unos canales, llamados «feeders», donde el vidrio se derrama por
gravedad hacia las máquinas de fabricación. Para el vidrio plano, el extremo de
extracción está provisto de un sifón de donde unos rodillos lo extraen y estiran
en forma de lámina plana; también puede obtenerse por flotación.
El horno de balsa está generalmente provisto de recuperadores o
regeneradores, donde se calienta el aire de combustión por recuperación de
una parte del calor de los humos.
El equipo de calentamiento consta de unos inyectores de combustible, los
cuales desembocan en el horno en la proximidad de los canales de refractario
de llegada del aire de combustión procedente de los dispositivos de
recuperación. La llama se desarrolla entre la bóveda y la superficie del baño, y
los productos de combustión se evacuan por orificios apropiados.
En los hornos de regeneradores, los mismos orificios sirven alternativamente
para la introducción del aire caliente y para la salida de los humos, de acuerdo
con los ciclos de inversión del horno. En los hornos con recuperadores, los
orificios de admisión de aire y los de evacuación de humos son distintos,
puesto que la recuperación del calor se efectúa de manera continua a través de
paredes de refractario que separan ambos fluidos.
Los hornos de balsa pueden ser de dos tipos:
Hornos de calentamiento en bucle o herradura, en los cuales los orificios
de llegada de aire y de combustible están colocados en uno de los lados
menores del rectángulo. La llama se desarrolla en forma de bucle para
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volver sobre ella misma y evacuarse por canales situados en el mismo
lado que los orificios de llegada citados. El recorrido de la llama es pues
sensiblemente igual al doble de la longitud de la balsa (Figura 13.34).
Figura 13.1
Horno de balsa con llama tipo bucle
En esta figura se puede apreciar con claridad una de las grandes limitaciones
de la combustión en este tipo de hornos, que explican las complicaciones en el
diseño y los bajos rendimientos térmicos. La mayor extensión de la llama tipo
bucle permite un mayor nivel de radiación de calor desde la llama al material,
pero la transferencia de calor se realiza principalmente por convección en el
líquido, por lo cual la mayor parte del calor se pierde a través de las paredes y
con los gases de salida del horno
Hornos de calentamiento transversal, en los cuales los orificios de
llegada están colocados a lo largo de uno de los lados mayores del
rectángulo, y los orificios de evacuación están colocados en el lado
mayor opuesto, por lo que la llama, en este caso, sólo dispone para su
desarrollo de la anchura de la balsa (Figura 13.35).
Figura 13.2
Quemadores laterales
La característica de la transmisión de calor en
este tipo de horno es la preponderancia
(como en todos los hornos de reverbero) de
la radiación sobre la convección, por las
razones siguientes:
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a) El vidrio es mal conductor del calor, por el contrario, es transparente; por
ello, sólo la radiación puede alcanzar las capas profundas de la masa y, por
consiguiente, calentar el baño en todo su espesor y no solamente su
superficie.
b) Las corrientes de convección son perjudiciales a la calidad del vidrio, ya que
entrañan el riesgo de arrastrar hacia la salida, antes de su fusión completa,
partículas de materias primas, que producirían en las piezas fabricadas un
defecto o tara que se denomina «grano».
La llama debe ser:
•
Caliente: para que su elevada temperatura pueda producir el máximo de
partículas radiantes, y favorecer la evolución del proceso de disociación de
los hidrocarburos y demás fenómenos exotérmicos.
•
Voluminosa: con objeto de llenar el horno y calentar uniformemente todas
sus partes.
•
Suave: para poder adaptarse fácilmente a la forma del horno sin causar la
destrucción de determinadas partes del refractario por la acción del dardo
de la llama.
•
Luminosa: para permitir su penetración por radiación en el baño.
•
Fácil de regular: para poder producir una atmósfera oxidante o reductora y
prevenir la formación de defectos en el vidrio o un ataque grave del
refractario.
Se han adoptado diversas soluciones, en los hornos de balsa, para la
introducción de aire y de gas natural, con objeto de satisfacer esas
condiciones.
Las disposiciones más corrientes, tanto en los hornos de bucle como en los de
calentamiento transversal, son las siguientes:
•
•
Los orificios de inyección del gas se colocan en la parte lateral del conducto
de llegada de aire, formando un ángulo de convergencia de unos 98° (Figura
13.3 - solución A).
Los orificios de inyección se colocan, bajo el conducto de llegada de aire,
entre éste y el nivel del vidrio (Figura 13.3 - solución B).
Estas disposiciones son recomendables para el gas natural, con la única
condición de que la geometría de los quemadores permita una difusión del gas
en la corriente del aire, de tal forma que la mezcla se produzca lo más cerca
posible de la entrada de la balsa.
Los inyectores de gas natural presentan las características siguientes:
•
En el caso de que estén colocados a uno y otro lado del conducto de
llegada del aire, se utilizan inyectores cilíndricos, cuya convergencia
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produce, a partir del punto donde se cruzan los chorros, una llama única,
ampliamente expansiva, que llena completamente la totalidad del volumen
del conducto de aire. Esta llama es bastante luminosa, ya que encontrándose encerrada en ella una porción de gas sin quemar, se calienta y disocia
antes de su difusión en el aire.
•
En los demás casos, el inyector de gas produce un chorro de forma cónica,
cuya geometría se determina de manera que la mezcla de aire y gas esté
prácticamente terminada cuando el conducto de aire desemboca en el
horno.
Figura 13.1
De acuerdo con los cálculos teóricos, en las mismas condiciones de
funcionamiento, temperatura y relación aire-combustible, el fuel-oil tendría un
rendimiento térmico superior al del gas, ya que su temperatura teórica de
combustión es más elevada y el poder emisivo de la llama es mayor. En la
práctica, puede ocurrir de otra manera: el metano puede quemarse
completamente con un exceso de aire inferior al que es necesario para el fueloil. Con excesos de aire respectivamente del 5 % y del 15 %, las temperaturas
teóricas de combustión son sensiblemente las mismas para el gas natural que
para el fuel-oil.
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Por otra parte, es relativamente fácil obtener llamas de difusión de gas natural
cuyo factor de emisión sea de 0,5. Este valor, aunque inferior al factor de
emisión de la llama del fuel-oil, está próximo al óptimo de radiación, que se
sitúa alrededor de 0,45.
Cuando los dispositivos de inyección de gas natural se han escogido
correctamente y se han adaptado a las características tecnológicas de los
hornos, es posible obtener llamas de gas natural de resultados próximos a los
que se obtienen con el fuel-oil.
Los consumos específicos de gas están comprendidos entre 1 500 y 2 500
kcal/kg.
La combustión con oxígeno o aire enriquecido puede permitir aumentar
significativamente la temperatura de llama y disminuir el volumen de gases de
combustión, lo que favorece as condiciones de transferencia de calor y
disminuye pérdidas don los gases. En la Figura 13.4 se muestran las formas de
inyección de oxígeno para cumplir este propósito.
Los inconvenientes de estas aplicaciones presentan en mayores exigencias
para los materiales refractarios que trabajan bastante más calientes y los
aislamientos que eviten que la mayor disponibilidad de temperatura calor se
vayan al ambiente.
Figura 13.4
Formas de inyección de Oxígeno al
quemador
Los hornos de balsa están
constituidos esencialmente por
una cuba en material refractario,
de
forma
generalmente
rectangular, cubierta de una bóveda aplanada. Sus dimensiones varían
enormemente: se valoran generalmente por la superficie del baño de fusión,
que es de 10 a 100 m 2 para el vidrio hueco y que puede alcanzar hasta 500 m 2
para el vidrio plano. La capacidad es del orden de 1 t/m2 para vidrio plano y de
2 a 2,5 t/m2 para el vidrio hueco.
Las primeras materias se introducen por uno de sus extremos, estando el otro
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unido a unos canales, llamados «feeders», donde el vidrio se derrama por
gravedad hacia las máquinas de fabricación. Para el vidrio plano, el extremo de
extracción está provisto de un sifón de donde unos rodillos lo extraen y estiran
en forma de lámina plana; también puede obtenerse por flotación.
El horno de balsa está generalmente provisto de recuperadores o
regeneradores, donde se calienta el aire de combustión por recuperación de
una parte del calor de los humos.
El equipo de calentamiento consta de unos inyectores de combustible, los
cuales desembocan en el horno en la proximidad de los canales de refractario
de llegada del aire de combustión procedente de los dispositivos de
recuperación. La llama se desarrolla entre la bóveda y la superficie del baño, y
los productos de combustión se evacuan por orificios apropiados.
En los hornos de regeneradores, los mismos orificios sirven alternativamente
para la introducción del aire caliente y para la salida de los humos, de acuerdo
con los ciclos de inversión del horno. En los hornos con recuperadores, los
orificios de admisión de aire y los de evacuación de humos son distintos,
puesto que la recuperación del calor se efectúa de manera continua a través de
paredes de refractario que separan ambos fluidos.
Los hornos de balsa pueden ser de dos tipos:
•
Hornos de calentamiento en bucle o herradura, en los cuales los orificios de
llegada de aire y de combustible están colocados en uno de los lados
menores del rectángulo. La llama se desarrolla en forma de bucle para
volver sobre ella misma y evacuarse por canales situados en el mismo lado
que los orificios de llegada citados. El recorrido de la llama es pues
sensiblemente igual al doble de la longitud de la balsa.
•
Hornos de calentamiento transversal, en los cuales los orificios de llegada
están colocados a lo largo de uno de los lados mayores del rectángulo, y los
orificios de evacuación están colocados en el lado mayor opuesto, por lo
que la llama, en este caso, sólo dispone para su desarrollo de la anchura de
la balsa.
La característica de la transmisión de calor en este tipo de horno es la
preponderancia (como en todos los hornos de reverbero) de la radiación
sobre la convección, por las razones siguientes:
•
El vidrio es mal conductor del calor, por el contrario, es transparente; por
ello, sólo la radiación puede alcanzar las capas profundas de la masa y, por
consiguiente, calentar el baño en todo su espesor y no solamente su
superficie.
•
Las corrientes de convección son perjudiciales a la calidad del vidrio, ya que
entrañan el riesgo de arrastrar hacia la salida, antes de su fusión completa,
partículas de materias primas, que producirían en las piezas fabricadas un
defecto o tara que se denomina «grano».
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La llama debe ser:
•
Caliente: para que su elevada temperatura pueda producir el máximo de
partículas radiantes, y favorecer la evolución del proceso de disociación de
los hidrocarburos y demás fenómenos exotérmicos.
•
Voluminosa: con objeto de llenar el horno y calentar uniformemente todas
sus partes.
•
Suave: para poder adaptarse fácilmente a la forma del horno sin causar la
destrucción de determinadas partes del refractario por la acción del dardo
de la llama.
•
Luminosa: para permitir su penetración por radiación en el baño.
•
Fácil de regular: para poder producir una atmósfera oxidante o reductora y
prevenir la formación de defectos en el vidrio o un ataque grave del
refractario.
13.1.2 Hornos de crisol
Los crisoles, abiertos o cerrados, en los que se efectúa la fusión del vidrio se
colocan sobre la solera del horno, cubiertos por una bóveda y normalmente
provistos de regeneradores o recuperadores.
Contrariamente a los hornos de balsa, los hornos de crisol tienen un régimen
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de producción discontinuo, que comprende las fases siguientes:
•
Carga de los crisoles.
•
Fusión.
•
Extracción del vidrio para fabricación.
Los inyectores de combustible colocados próximos a las llegadas del aire
producen una llama que se desarrolla entre la bóveda y los crisoles. La
posición de esos inyectores varía según la forma, las dimensiones y la
tecnología de los hornos, los cuales presentan gran variedad: pueden
colocarse en el centro de la solera, en la bóveda o sobre los lados. Lo esencial
es que la disposición escogida asegure una mezcla completa y suficientemente
rápida del aire y del gas, y produzca una llama suave y envolvente. Por el
contrario, no es necesario que la llama sea luminosa, por lo cual el uso del gas
natural no afecta la trasferencia de calor, pero facilita totalmente todo el control
operativo del sistema.
El calentamiento se efectúa principalmente por convección entre la pared de
los crisoles y la llama: ésta debe circular alrededor de los crisoles antes de salir
por los conductos de evacuación dispuestos generalmente al nivel de la solera.
Se produce, además, una radiación de la bóveda del horno a la parte superior
de los crisoles.
La elección de los quemadores es importante a fin de obtener una llama suave,
envolvente y cuya longitud pueda ajustarse perfectamente a las dimensiones
de la cámara de combustión, que acostumbra a ser reducida. Con inyectores
de llama cónica se efectúa una mezcla suficientemente rápida del gas con el
aire frío o caliente, según que el horno esté provisto o no de recuperadores; por
otra parte, se puede ajustar con precisión la longitud de la llama, puesto que
ese tipo de inyector permite, a caudal constante, variar la velocidad de salida.
El gas permite una regulación con un mínimo exceso de aire; desde luego, los
crisoles están menos expuestos a los golpes de fuego y su duración de vida es
mayor.
En este tipo de Hornos, los niveles de eficiciencia térmica son bastante más
bajos que los que se alcanzan en los de balsa, debido a que en este caso la
transferencia de calor que resulta dominante en el proceso de fusión es la
conducción a través de la pared del crisol, recordando que literalmente: el calor
por radiación vuela, por conducción fluye y por conducción camina.
La limpieza de gases de combustión cuando se emplea gas natural, además de
evitar incrustaciones y corrosión a alta temperatura de cenizas funcidas,
permite la posibilidad de recuperación de calo para precalentamiento del
producto y/o el aire de combustión.
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13.1.3 Operaciones anexas a la fusión
A partir del horno de fusión, el vidrio fundido debidamente escorificado se
encuentra en condiciones de ser moldeado para conformar los productos predeterminados, pero tales condiciones deben mantenerse inalterables entre la
descarga del horno y la operación de moldeado.
Dichas operaciones se efectúan bien en el interior de un recinto (calentamiento
de «feeders», arcas de recocer y decorar, de recalentamiento) o bien al aire
libre, por acción directa de la llama sobre el producto (requemado, corte o
formas diversas)..
•
Calentamiento de feeders
Los feeders o canales de distribución reciben el vidrio del horno de fusión a
1.300 0C, aproximadamente, y lo dirigen hacia las máquinas automáticas en
donde se distribuyen gota a gota.
El vidrio debe mantenerse a una temperatura muy precisa, variable según la
naturaleza del vidrio y el peso de las piezas a fabricar, comprendida entre 1150
0
C y 1 250 0C. La temperatura determina la viscosidad del vidrio y debe
regularse con precisión, de forma que el peso de la gota que sale del orificio de
colada sea rigurosamente constante. Para obtener este resultado deben
repartirse a lo largo de cada canal de distribución una serie de pequeños
quemadores individuales. Los quemadores deben alimentarse con la mezcla
previa aire-gas, preparada en diferentes tipos de mezcladores.
La utilización del gas natural no presenta dificultad alguna en la sustitución de
los otros gases ricos, puesto que la obra de refractario caliente actúa como
excelente dispositivo de estabilización de llama. Basta regular el dispositivo de
mezcla de acuerdo con las características del nuevo gas. El cambio de gas
puede hacerse sin parar la producción.
Figura 13.5
Descarga vidrio plano
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•
Calentamiento de arcas de recocido
El recocido del vidrio consiste en calentar las piezas fabricadas hasta una
temperatura próxima a 600 0C, suficiente para destruir las tensiones internas
que se hayan producido. Este recalentamiento está seguido de un enfriamiento
controlado, lento al principio, luego rápido. Esta operación se realiza corrientemente en túneles de marcha continua; generalmente hay un arca por máquina,
de manera que su carga sea homogénea.
La supresión de la mufla simplifica notablemente la combustión en las arcas y
mejora sensiblemente el rendimiento térmico; esta mejora puede ser, según los
casos, de 25 % a un 50 %. Aun en el caso de que se estime necesario poner
las piezas fuera del contacto de los gases de combustión, el gas natural
permite eliminar la mufla, puesto que puede emplearse el calentamiento con
tubos radiantes, que con un rendimiento ligeramente inferior al calentamiento
directo, aunque superior a la mufla, presenta las mismas ventajas que este
último.
El equipo o conversión de las arcas de recocer al gas natural necesita ciertas
precauciones, según el tipo de quemadores empleados. Los quemadores con
cono de refractario constituyen un dispositivo de estabilización de llama
suficiente. Por el contrario, las rampas transversales de calentamiento,
dispuestas bajo el tapiz transportador, tienen que ir provistas de dispositivos de
estabilización.
En la Figura 13.6 se muestra un quemador de alta velocidad que entrega gases,
calientes, limpios y efectivos
Figura 13.6
Quemadores de Gas de alta velocidad
•
Calentamiento de arcas de
decorado
El decorado se realiza por vitrificación de esmaltes cerámicos colocados sobre
el vidrio. Esos esmaltes serán tanto más adherentes cuanto mayor sea la
temperatura de su cocción, con la única limitación de la temperatura de
reblandecimiento del vidrio. La utilización de la radiación en pantallas radiantes
de gas permite, no obstante, sobrepasar ligeramente dicha temperatura, puesto
que la decoración cerámica es la única en absorber la energía de radiación,
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mientras que el soporte de vidrio es transparente y no la absorbe.
El calentamiento de las arcas de decorar es totalmente análogo al de las arcas
de recocer, y puede llevarse a cabo en atmósfera común o en atmósferas
separadas.
El gas natural, gracias a su pureza, se presta perfectamente para el
calentamiento en atmósfera común, ya que los productos de combustión no
producen ninguna acción sensible sobre los esmaltes. Como en las arcas de
recocer, puede recurrirse siempre al calentamiento por tubos radiantes
.
¿ARTE
O
CIENCIA?
•
Recalentamiento de piezas
Este tipo de horno sólo existe en vidrierías donde las piezas se fabrican a
mano: esta operación es larga y exige calentamientos periódicos para dar a la
pieza en fabricación la plasticidad necesaria.
Los hornos de recalentamiento son, generalmente, pequeños hornos de forma
cilíndrica de eje horizontal abiertos por una extremidad y calentados a una
temperatura entre 1.200 y 1.300C, por uno o varios quemadores dispuestos
tangencialmente a la pared interior del horno, la cual transmite el calor a las
piezas, principalmente por radiación.
El empleo de gas natural en estos hornos supone la adaptación del quemador
o quemadores. Se trata, generalmente, de quemadores de mezcla previa que
se regulan según relación estequiométrica. Cuando esos quemadores ya
existían quemando propano o butano, convendrá casi siempre agrandar los
orificios de salida o colocar cabezales provistos de dispositivos estabilizadores.
•
Operaciones al aire libre
En estas operaciones se produce un calentamiento localizado e intensivo. La
llama ataca directamente una zona generalmente pequeña de la pieza, que
debe alcanzar la temperatura de fusión rápidamente, para no afectar las zonas
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próximas con posibles deformaciones.
Las características del gas natural, particularmente su velocidad de
deflagración, impone ciertas precauciones a los quemadores.
Estos deben ajustarse a las dos condiciones siguientes:
•
Dar una llama estable con una velocidad de derrame de los fluidos elevada;
se caracteriza por la potencia específica, expresada en kcal/h y cm 2 de
sección del quemador, que, normalmente, es del orden de 10000 kcal/h/cm2
•
Producir una llama de la máxima temperatura posible, cuyas dimensiones,
bien definidas, sean constantes para una potencia dada.
Para conseguirlo, la regulación de la combustión y la utilización de un
dispositivo de estabilización, a base de llamas auxiliares, compensan una
temperatura teórica y una velocidad de deflagración ligeramente más débiles.
El gas natural resulta el combustible ideal para estas operaciones, debiendo
utilizarse Gas Licuado de Petróleo (GLP) si tiene un precio accesible, llegando
a gasificar combustibles íquidos en casos extremos, con las dificultades y
problemas consiguientes,
13.2 GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA CERÁMICA
El desafío para la combustión en los hornos cerámicos es todavía más
complicado que en los de vidrio, porque al tener que calentar y efectuar la
cocción en sólidos, la forma de transferencia de calor que predomina es
la de conducción. Tomando en cuenta que el calor vuela por radiación,
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fluye por convección y camina por conducción, los diseños de hornos y
quemadores deben acondicionarse para ―conducir‖ el calor adonde
corresponde.
13.2.1
La Industria Cerámica
Dada la diversidad de las fabricaciones cerámicas y el complejo carácter
fisicoquímico de las operaciones térmicas necesarias, la industria cerámica es
una de las actividades en que la importancia del combustible es fundamental.
La elección de éste puede tener una influencia decisiva no solamente sobre el
precio de coste, sino también sobre la calidad de los productos fabricados. Si
no dispone de un comestible limpio, tendrá que optarse por el calentamiento
indirecto, con las perdidas termodinámicas correspondientes.
La primera materia base de la industria cerámica es la arcilla, producto natural
complejo, constituido esencialmente, en proporciones variables, por aluminio y
sílice asociadas a cierta cantidad de impurezas, tales como cal, potasio,
magnesio, sodio y óxido de hierro.
La diferencia entre los productos obtenidos proviene, en parte, de la
composición de la arcilla de base y, en parte, de los procesos y temperaturas
de cocción. A menudo se precisa una mezcla previa de tierras de diferentes
procedencias para mantener constantes las características de un producto.
Los grandes grupos cerámicos son:
• Tierras cocidas
• Lozas
• Gres
• Porcelanas
Las composiciones medias de estos productos son las siguientes:
Tierras cocidas
Pérdida al fuego
Sílice total
Alúmina
Oxido de titanio
Oxido de hierro
Cal
Magnesio
Potasio
Sodio
Impurezas varias
15,8
45,0
14,4
0,8
5,1
15,6
0,7
2,2
0,2
0,2
Loza
6,9
68,5
20,2
0,5
0,6
0,6
0,3
1,3
0,6
0,5
Gres Porcelana
6,7
67,0
19,7
1,2
1,9
0,3
0,4
1,8
0,3
0,7
0,1
73,3
21,5
0,1
0,3
1,3
—
3,4
1
La gran variedad de productos cerámicos, que van desde la ladrillería a la loza,
refractarios, productos artísticos y porcelanas, exigen para cada uno de los
productos características de cocción diferentes.
Las operaciones térmicas fundamentales exigidas para la fabricación de los
diferentes productos son las siguientes:
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Preparación de materias primas
Moldeo
Secado
Cocción
Almacenado y Despacho
Operaciones habituales en la industria cerámica
13.2.2 Propiedades de las arcillas
Los materiales arcillosos están constituidos por hidróxidos de aluminio y silicio
formando capas unidas por puentes de oxígeno que dan lugar a una estructura
laminar, en la cual se introducen compuestos de Magnesio, Calcio, materias
orgánicas, etc., conformando las arcillas que se presentan e la naturaleza.
Las características que influencian directamente el comportamiento d elas
arcillas en la industria cerámica son : Plasticidad y Comportamiento Térmico
Plasticidad
La plasticidad de un material consiste en su capacidad de deformarse sin
ruptura y conservar la nueva forma adoptada cuando desaparece la presión.
Las arcillas deben su plasticidad al contenido de agua y cuando lo pierden por
efecto del calor, se vuelven duras y frágiles.
Esta propiedad está relacionada con el carácter coloidal de las arcillas que se
debe a su carácter laminar. Los factores más importantes que influyen en la
plasticidad de las arcillas son la siguientes:
Mineralogía
Contenido de Agua
Grado de Ionización
Granulometría
Temperatura
La industria cerámica aprovecha esta propiedad de las arcillas, ya que permite
el moldeo de piezas muy diversas, que se estailizan y desarrollan resistencia
mecánica al calentarse en hornos de diferentes tipos y características
adecuadas para cada tipo de producto.
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Comportamiento Térmico
Al someter una pasta cerámica obtenida a partir de una mezcla de arcilla y
agua a la acción del calor, tienen unlar una secuencia de reacciones químicas y
transformaciones físicas (Cuadro 13.1).
Al calentar una pieza cerámica, conformada por arcillas, estos fenómenos se
dan primero en la superficie y luego en el interior, ya que existe un gradiente de
temperatura entre ellas. Si los cambios de volumen son demasiado rápidos, se
producen tensiones en la estructura que dan lugar a grietas y deformaciones,
pudiendo llegar a fracturarse y romperse la pieza. Durante el enfriamiento
aparecen los mismos problemas pero a la inversa, ya que la temperatura es
más elevada en el interior que en la superficie.
Los cambios de volumen frente a la temperatura y el tiempo son muy
importantes, ya que configuran los perfiles de temperatura para el secado y la
cocción de piezas cerámicas.
Cuadro 13.1
Comportamiento frente al calor de diferentes pastas cerámicas
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13.3.3
Características Energéticas
La industria cerámica por sus volúmenes de producción y por las
características de los procesos de fabricación es una gran consumidora de
energía; también por cierto, generalmente, por los bajos niveles de eficiencia
en sus operaciones.
La mayor parte de energía consumida es térmica, obtenida a partir de
combustibles fósiles, representando la energía eléctrica consumida, una
pequeña proporción del consumo total. Los combustibles más utilizados en la
actualidad son Fuel Oil, Gas Natural y GLP, encontrando eventualmente
plantas que utilizan combustibles no convencionales de bajo costo para
algunas operaciones.
El consumo de energía global de los diversos subsectores viene determinado
en parte por su volumen de producción. En general, se puede decir que el
principal consumidor energético es el sector de materiales de tierra cocida (6080%) representada principalmente por la fabricación de ladrillo y otros
materiales de construcción. La energía restante se divide entre los otros
subsectores, siendo la fabricación de azulejos y pavimentos cerámicos los
principales consumidores.
En el Cuadro 13.2 se aprecian los consumos específicos de los sub-sectores
cerámicos.
Cuadro 13.2
Producto
Materiales de construcción
de tierra cocida
Consumo Específico
Kcal/Kg
400 - 900
Azulejos y Pavimentos
Cerámicos
4.000 – 2.000
Loza
4.000 – 7.000
Porcelana
3.000 – 5.000
Ladrillo Refractarios
3.000 – 4.000
La mayor incidencia en el coste de fabricación de los materiales de
construcción de tierra cocida se registra en el coste de la energía, pudiendo
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llegar en algunos casos hasta el 50%. En los otros productos, generalmente
representa entre el 15 y 20 %.
En el Cuadro 13.3 se presenta el resumen de rendimientos energéticos en
algunos Hornos cerámicos:
Cuadro 13.3
Tipo de Horno
Horno túnel de bizcochos
para azulejos
Rendimiento (%)
27.2
Horno de Afino para azulejos
17.5
Horno de cocción de ladrillos
Secador de ladrillos
56.3
37
Como puede apreciarse, los niveles de eficiencia son muy bajos, siendo las
causas principales de pérdidas la ineficiencia de transferencia de calor al
producto.
Prácticamente la totalidad del consumo de energía se registra en las
operaciones de secado y cocción.
Todos los productos a base de arcilla son manufacturados a partir de una pasta
obtenida por mezcla, trituración y amasado de tierras. Esta última operación
necesita la adición de cierta cantidad de agua.
La finalidad del secado es eliminar gran parte de dicha agua, a fin de dar a las
piezas manufacturadas una dureza suficiente para permitir su manipulación.
Debe realizarse con precaución para evitar deformaciones o fisuras provocadas
por una evaporación demasiado rápida. En el curso de los últimos años se han
conseguido grandes progresos en la aceleración del secado. Realizado
anteriormente al aire libre, durante varios días, actualmente se efectúa en
secaderos, más o menos mecanizados, en tiempos que pueden ser inferiores a
una hora.
Las técnicas de construcción de los secadores son de una gran variedad:
cámaras fijas con alimentación por vagonetas o por transportadores de jaulas,
túneles continuos, etc. Sus características vienen esencialmente determinadas
en función de las dimensiones de las piezas, del tonelaje y del circuito de los
productos en la fábrica..
En el Capítulo X se trata extensamente todos los aspectos vinculados con el
secado y los tipos de secadores.
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Figura 13.7
Secador de Materias Primas
13.2.4 Hornos cerámicos
Existen varios tipos de hornos para cocción de materiales cerámicos, pero casi
todos los conocidos han sido concebidos, diseñados y construidos bajo
conceptos técnicamente equivocados y orientados al beneficio del proveedor,
antes que del usuario, representando generalmente grandes inversiones y
elevados costos operativos, para conseguir rendimientos y eficiencias muy
bajas, para posteriormente continuar con modificaciones interminables, sin
resultados significativos. La ecuación que explica estos resultados resulta muy
simple: Adecuar los hornos a las limitaciones y problemas en la combustión
conviene a los vendedores de equipos, servicios, repuestos y los propios
combustibles. Optimizar la combustión y adecuarla a las características de los
materiales y procesos cerámicos conviene a los industriales.
En términos generales, los tipos de hornos más utilizados podemos clasificarlos
solamente en dos tipos :
Hornos con materiales estáticos en los cuales se mueve el Aporte
Térmico
Aporte Técnico Estacionario con movimiento de los materiales en
proceso.
a)
Hornos de fuego móvil
Este tipo de hornos, incluyendo el más conocido y difundido Horno Hoffman se
desarrolló en el siglo XIX en Europa y en la primera mitad del siglo XX en
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América, por lo cual resulta explicable que hayan tenido que pensar en poner
los materiales estáticos y hacer circular la llama haciendo el trabajo,
seguramente con muy bajas eficiencias y sin muchas exigencias de calidad, ya
que se utilizaban principalmente para efectuar la cocción de materiales de
construcción de tierra. Quemando carbón con tecnología artesanal, la llama
llegaba a varios de los compartimientos antes de convertirse parcialmente en
gases de combustión, produciendo ladrillos medio cocidos, calentamiento y
contaminación ambiental. (Figura 13.8).
Figura 13.8
Hornos Tipo Hoffman
Al surgir el petróleo después de la II Guerra Mundial, estos hornos comenzaron
a cambiar y mejorar.
Inicialmente fueron circulares, pero se volvieron rectos y alargados en
uno o dos pasos, teniendo que ingresar el personal a retirar los carros
con material, mientras los gases, con inquemados y gases tóxicos,
seguían circulando.
Las llamas de petróleo atomizado comenzaron a acortar las llamas y
mejorar el control del proceso.
Se comenzaron a desplazar las vagonetas entre compartimientos, con
sistemas mecánicas exteriores de desplazamiento.
Se comenzaron a analizar gases y controlar la combustión.
Al mantenerse todavía el petróleo en 2 o 3 dólares el barril, la cerámica más
exigente en control de calidad se producía en hornos estacionarios con baja
eficiencia y en algunos casos, calentamiento indirecto.
La crisis del petróleo y elevación de precios de la energía, al desencadenar la
conservación energética condenó a todos estos hornos a muerte, debido a que
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su fundamento original siempre estuvo equivocado, porque mientras viajan la
llama y los gases de combustión a velocidades de 5 m/seg el calor viaja de la
superficie al interior de las piezas en m/min.
Progresivamente se comenzó a recircular los gases o el calor a los hornos, se
mejoró el control de circulación de los gases, instalando dampers en las
chimeneas, etc. frenando la velocidad de los gases de combustión y
desplazando los materiales en proceso, hasta desembocar finalmente en los
Hornos Túnel, que por cierto ya existían..
b) Horno túnel
El horno túnel se presta a una mayor diversificación de los equipos de
calentamiento; sin embargo, teniendo en cuenta la importancia de la carga, su
densidad y las secciones del horno, las condiciones equivalen a las del horno
Hoffmann, puesto que se dispone de poco espacio para desarrollar la
combustión durante la carga entre los empilados de productos. Los primeros
hornos túnel se equiparon pues igual que los hornos Hoffmann, introduciendo
el combustible por el techo, reforzando la acción por medio de quemadores
laterales, situados sobre las paredes laterales del horno, con el fin de mejorar
el calentamiento de las partes inferiores. En realidad se podría decir que se
produce una metamorfosis combinando amos tipos de horno.
Poco a poco, los simples inyectores de gas de los hornos Hoffmann se han ido
sustituyendo por otros, de combustión más racional, con alimentación separada
de aire y gas, de forma que pueda modelarse la llama y extenderla por toda la
altura del horno. En algunos casos, se ha efectuado un reciclado de los humos
con el fin de retardar la combustión y facilitar el calentamiento de la parte baja.
También se han sustituido con indiscutible ventaja los quemadores ordinarios
por quemadores de chorro «jet».
El registro de temperaturas en diferentes puntos de la carga, efectuada sobre
los mismos hornos, equipados sucesivamente con diferentes tipos de
quemadores, han demostrado la posible mejora de la isotermia del horno con
beneficio directo del consumo de gas.
Igualando la temperatura de la parte baja con la parte superior de la carga, es
posible reducir el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de cocción en
toda la carga, que se traduce en un aumento de la producción y en una
disminución del consumo específico de gas. Se produce, por otra parte, una
mejora sensible de la calidad, que se manifiesta particularmente en las tejas,
cuya coloración queda perfectamente uniforme.
La incorporación del gas natural a precios accesibles en el siglo XX ya produce
una transformación total de la tecnología, no solamente en los Hornos
ladrilleros, sino en toda la industria cerámica, al facilitar totalmente todo el
trabajo de los hornos, pero con un concepto diferente.
En los Hornos Tipo Túnel, al conseguirse combustión completa y lograrse un
excelente control de la atmósfera interna de los hornos con control de la
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presión, se logra estabilizar el fuego y los que se mueven en vagonetas son los
productos y/o piezas en proceso. En realidad esta tecnología ya se justificaba
con petróleo bien atomizado en hornos de productos cerámicos tales como
azulejos, pisos y mayólicas, pero con el nuevo desarrollo tecnológico y la
disponibilidad de gas limpio, barato y eficiente, también los hornos ladrilleros
se transforman y modernizan, automatizando su funcionamiento (Figura 13.9).
El adecuado control de la combustión permite reponer el calor consumido por el
proceso en cada compartimiento, en función del trabajo que realiza;
precalentamiento, secado, calentamiento, cocción, estabilización y
enfriamiento.
Figura 13.9
Hornos tipo Túnel
La cocción de la decoración se efectúa en hornos fijos o en hornos túnel
muflados de pequeña sección y de ciclo rápido, cuya marcha y conducción está
enteramente automatizada. El calentamiento de estos hornos está realizado
por un pequeño numero de quemadores. Los productos de la combustión
circulan entre la pared exterior y la mufla que constituye la cámara de
combustión: a su salida se evacuan a la atmósfera después de pasar por la
zona de introducción de piezas, en la que aseguran su precalentamiento. La
recuperación así realizada contribuye a mejorar el rendimiento global del horno.
(Figura 13.10)
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Figura 13.10
Hornos para Cerámica
Los hornos que hemos citado
son los tipos más corrientes en la
industria cerámica, pero existen
otros tipos, algunos de los cuales
son derivados de los anteriores:
•
Horno de cámara con solera
móvil
Horno de zig-zag y derivados
•
del Hoffmann
• Horno de pasaje de baja y alta sección
• Horno túnel, muflado y semimuflado
• Horno de losetas muflado y de llama directa
• Horno de rodillos
• Horno de bandejas
• Horno rotativo para fusión y fritado de esmaltes
• Horno de balsa para fusión y fritado de esmaltes.
En todos ellos es posible y fácil su transformación a gas natural.
14.5.5
Análisis de Casos Prácticos
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A)
HORNO TÚNEL DE 300 T/DÍA DE LADRILLOS OPERANDO CON
GAS NATURAL
Longitud del horno: 102 m
Anchura útil
: 3,42 m
Altura útil
: 1,95 m
Capacidad
: 32 vagonetas
Tipo de paso de cada
vagoneta
. 21 a 25 h, es decir, avance medio vagón
cada 20 min aprox.
Producción diaria : variable de 280 a 300 t, según la densidad
de los productos, es decir: 12 t/h, aprox.
Ver esquema (Figura 13.11).
Figura 13.11
Esquema del horno túnel cerámico
Su particularidad reside en la construcción de la bóveda, muy ligera, plana y
suspendida, empleando ladrillos refractarios ligeros, de densidad inferior a 1, lo
que ha permitido establecer una estructura metálica de soporte con perfiles
laminados normales de pequeña sección. Además, el buen aislamiento térmico
de esos ladrillos (22 cm de espesor en la zona de cocción) permite obtener un
balance térmico muy satisfactorio.
En la zona de precalentamiento de la carga se instalaron 18 quemadores de
impulsión, con premezcla total aire-gas, con una potencia nominal de 1 850
termias/h. La velocidad de salida de los productos de combustión es tal (120
m/s) que la subida de temperatura, tan delicada entre los 300 0C y los 700 0C,
puede efectuarse rápidamente gracias a la excelente homogeneización de la
temperatura entre la solera y la bóveda del horno, contribuyendo de esta
manera a la obtención de productos de un color completamente uniforme.
En la zona de cocción se han dispuesto verticalmente, en la bóveda, 12 hileras
de 4 quemadores (48 en total) alimentados también con aire pulsado, que
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permiten una combustión prácticamente sin llama visible y un perfecto equilibrio
de la temperatura en todos los puntos de la zona de cocción. Los 48 quemadores están repartidos en 6 zonas comprendiendo dos líneas de 4 quemadores
cada una, regulada cada zona por un regulador de temperatura en conexión
con unas electroválvulas de alimentación de gas. De esta forma, la cocción
puede garantizarse con gran precisión, y progresivamente, entre 800 y 955 0C.
En la Figura 13.12 se detalla esquemáticamente este tipo de quemadores
verticales.
Figura 13.12
Quemador C.E.R.I.C.
En la zona de enfriamiento, donde se trata de llevar los productos a la
temperatura ambiente, recuperando al máximo el calor que contienen, sin
someterlos a variaciones brutales de temperatura, el aire que circula por el
interior del horno es tomado en la bóveda por dos ventiladores y enviado a los
quemadores como comburente y parte al secadero.
El consumo específico de calor no sobrepasa las 485 termias/t para el conjunto
de operaciones de la fabricación, secado y cocción. La mano de obra se reduce
a 15 hombres repartidos en tres turnos. Toda la preparación de tierras,
amasado, prensado y secado está completamente automatizada.
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B) Fabricación de azulejos decorados
Se trata de la fabricación de azulejos de loza decorados y en relieve a escala
industrial. Se producen 80 000 m 2 de azulejos por mes, de una gama muy
variada, comprendiendo unos 600 modelos de una constante regularidad de
dimensiones (108 x 108 mm) y de buena calidad.
La cocción del bizcocho se efectúa en un horno túnel normal de llama directa,
de una longitud de 90 m, en el cual se calienta progresivamente hasta
alrededor de los 1 250 0C, donde sufren la transformación termoquímica
necesaria, saliendo con la blancura conveniente.
Métodos de control estadístico permiten mantener una calidad elevada del
bizcocho, eliminando todo defecto. Los azulejos lisos se dirigen hacia la
decoración, los de relieve directamente al esmaltado.
La cocción de las piezas esmaltadas se realiza con dos hornos muflados tipo
Dressler, asegurando el calentamiento protegido de los gases de combustión
(Figura 13.13). La temperatura de cocción es de 1 070 0C, y las piezas pasan
sucesivamente a una antecámara de entrada y luego a la zona de precalentamiento, equipada de un reciclado de la atmósfera a fin de realizar la
homogeneización de temperaturas entre la parte alta y baja de la carga.
Después de la cocción pasan a una zona de enfriamiento equipada como el
horno de bizcocho: una zona de enfriamiento rápido, una zona de enfriamiento
lento y una zona de enfriamiento normal.
La zona de cocción está equipada de quemadores de pre-mezcla gas-aire
inducido, alimentados a una presión de gas de 1,5 kg/cm 2 efectivos. Los
quemadores están reunidos en grupos y sometidos a la acción de un regulador
neumático de temperatura.
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Figura 13.13
Horno continuo tipo Dressler
El conjunto de los aparatos de control y de regulación, así como los órganos de
mando de los motores, están reunidos en un armario que agrupa todas las
funciones, y permite, por medio de esquemas sinópticos, situar cada uno de los
aparatos en marcha.
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CAPITULO
14
EL USO DEL GAS NATURAL EN
MOTORES ENDOTÉRMICOS
14.1 MÁQUINAS TÉRMICAS Y MOTORES ENDOTÉRMICOS
Todo el universo es materia y energía que no se crean ni se destruyen y solo se
transforman. La energía es la materia en movimiento y las máquinas térmicas son
dispositivos que transforman energía térmica en trabajo.
Las máquinas térmicas pueden clasificarse según el sentido de transferencia
de energía:
Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al
atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.
Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al
atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje
En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye,
obteniéndose energía mecánica.
En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido
incrementa su energía al atravesar la máquina
En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es
necesario considerar su influencia en la transformación de energía.
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En consecuencia. los motores térmicos que nos interesan son máquinas que
tienen por objeto transformar la energía calorífica procedente de la energía
química almacenada en los combustibles y liberada por un proceso de
combustión, en energía mecánica directamente utilizable.
Los motores térmicos son de combustión externa, cuando ésta se verifica fuera
del fluido activo; de combustión interna, o más específicamente endotérmicos,
cuando el combustible es quemado en el mismo fluido, de manera que vienen
también a ser parte de éste, los productos de la combustión. En otros términos,
son de combustión externa, los motores en los cuales el calor es transferido al
fluido a través de las paredes de una caldera (máquina de vapor) , o de otros
tipos de intercambiadores (Figura 15.9); son endotérmicos los motores en los
cuales la combustión se realiza en el interior del fluido operante, el cual está,
por tanto, inicialmente constituido por combustible y comburente, que
experimenta después una serie de transformaciones , a consecuencia del
proceso fisicoquímico de combustión (Figura 15.10).
Figura 14.1
Máquina de Vapor : Motor de
combustión externa
Figura 14.2
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Turbina de Gas: Motor de
Combustión Interna o
Endotérmico
Los motores endotérmicos transforman en energía mecánica, esto es, en trabajo
útil, la energía química de los combustibles, liberada como calor, en procesos
de combustión. La conversión de la energía mecánica en trabajo, en forma
continua y eficiente, involucra el desarrollo de ciclos termodinámicos
14.2
NUEVAS TECNOLOGÍAS PARA EL USO DEL GAS NATURAL EN
AUTOMOTORES
El diferencial de precios existente a favor del GNV respecto a las gasolinas (1/3) y el
GLP (1/2) ha resultado técnicamente contraproducente en el campo automotor. La
conversión de motores diseñados para gasolina al uso del gas natural sin la adaptación
tecnológica adecuada disminuye el ahorro en combustible y los problemas de
mantenimiento terminan por convertirlo en una inversión desafortunada. La
competencia de la conversión al GLP, química y termodinámicamente más parecido a
la gasolina, ha conseguido mejores resultados, obligando a los empresarios y técnicos
vinculados al GNV a cambiar de estrategia, desarrollando un notable esfuerzo
tecnológico que resulta importante analizar, para evaluar sus resultados y proyección
futura.
14.2.1 Adaptación del Gas Natural en los Ciclos Otto y Diesel
Figura 14.3
Concepción funcional de los Ciclos Diesel y
Otto en el interior de los cilindros.
Como puede apreciarse en la Figura 14.3, existen grandes diferencias entre los ciclos
termodinámicos y funcionamiento de motores con encendido por bujía (Otto) y los que
funcionan con inyectores (Diesel).
En los motores gasolineros, también llamados de explosión, se comprime en los
cilindros una mezcla del combustible vaporizado y aire hasta el final de la carrera del
pistón, sincronizada con la chispa producida por bujía, produciéndose la combustión y
consiguiente expansión violenta de los gases (explosión) que desplaza el pistón,
generando el movimiento que se transmite a través del árbol de levas a la transmisión.
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La eficiencia del motor depende de la relación de compresión que resulta limitada por la
capacidad antidetonante del combustible utilizado, lo que se mide como Indice de
Octano.
Termodinámicamente, el ciclo Otto se conforma por los siguientes tramos:
0 – 1 y 1 – 0 : carga y descarga (isobárico)
1–2
: compresión (adiabatico)
2–3
: combustión (isócoro)
3–4
: expansión
(adiabático)
Figura 14.4
Ciclo Otto teórico
En el ciclo Diesel, solamente se comprime aire en el interior del cilindro, lo que permite
mayores relaciones de compresión; al llegar el pistón al Punto Máximo Superior, el aire
a elevadas presiones y temperaturas, recibe la inyección del combustible; la eficiencia
depende en este caso de la capacidad del combustible de quemarse sin carbonizar el
inyector y antes de impactar con las paredes del cilindro; se mide como el Indice de
Cetano.
Figura 14.5
Ciclo Diesel Teórico
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Termodinámicamente el Ciclo Diesel está conformado por los siguientes tramos:
0 – 1 y 1 – 0 : carga y descarga (isobárico)
1–2
: compresión (adiabatico)
2–3
: combustión (isobárico)
3–4
: expansión
(adiabático)
Figura 14.6
Molécula de Metano
El Gas Natural, estando conformado en gran proporción por Metano, que constituye una
molécula químicamente perfecta, resultará difícil de encender y fácil de quemar, por su
máxima relación Carbono/Hidrógeno.
Consecuentemente, el gas natural resultará un combustible ideal para motores
gasolineros, con un índice de octano equivalente a unos 120 octanos; contrariamente, al
inyectarse en un motor diesel, no se producirá la ignición.
14.2.2 Gas Natural en Motores diseñados para Gasolina
La utilización de gas natural en un motor diseñado para sus propias características
permite alcanzar potencias similares y mejores eficiencias, con mejores condiciones de
mantenimiento, limpieza y control ambiental, pero comercialmente resulta complicada
su distribución por circunstancias logísticas y técnicas:
Un motor dedicado para gas natural debe tener un diseño diferente de cilindros y
un sistema especial de lubricación, debido a las características de mayor
volumen específico de gases de combustión y limpieza perfecta del gas natural,
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sin la película que forman la gasolina, e inclusive el GLP, sobre las paredes
internas del motor.
La disponibilidad limitada de estaciones de servicio de gas natural y la menor
autonomía que permite la capacidad de almacenamiento, establece la
conveniencia de tener un motor mixto que también pueda funcionar con gasolina
(Figura 14.7).
Figura 14.7
gas
El costo de obtener
mayor autonomía con
natural sin desarrollo
tecnológico
La condición de mixto representa condicionar el motor a las limitaciones de
relación de compresión de la gasolina y obligatoriamente arrancar y permanecer
algunos minutos operando con gasolina, para mantener la película protectora
aceitosa sobre las paredes, para favorecer su adecuada lubricación.
Siendo el gas natural difícil de encender y fácil de quemar, consigue mantener su
máximo poder calorífico hasta el punto de explosión y la cinética de su
combustión es más rápida, lo que provoca que la parte alta del motor (culata)
trabaje mas caliente, lo que podría dañar las bujías; resulta necesario utilizar las
llamadas ―bujías frías‖ que soportan mayores temperaturas.
La limpieza del gas natural no resulta favorable en todos los aspectos; la menor
protección de lubricación de los asientos de válvulas produce su daño por
corrosión acelerada, por favorecerse tales reacciones con el oxígeno debido a la
mayor temperatura mencionada.
Todos los factores mencionados permiten afirmar que el inadecuado manejo técnico
del uso del gas natural en automotores ha determinado la existencia de un
importante potencial de desarrollo tecnológico en este campo.
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14.2.3 Gas Natural en Automotores Diesel
Un motor Diesel no puede funcionar sólo con gas natural simplemente porque no
enciende. Sin embargo, existen alternativas técnicas que podrían permitir su operación :
Operar con la inyección simultánea de gas natural y una pequeña proporción de
Diesel 2 u otro destilado medio (10 – 20 %) . Al encender el diesel provoca la
ignición inmediata del gas natural, produciéndose la expansión isobárica.
El diseño del arreglo mecánico adecuado puede permitir desarrollar el proceso
en
forma adecuada; la eficiencia del sistema podría resultar mejorado, respecto al
motor original; sin, embargo, la disponibilidad de tanques para ambos
combustibles establece condiciones de mayor inercia por peso y exige disponibilidad
de espacio.
Figura 14.8
Motores Diesel con Gas Natural
Otra posibilidad que podría considerarse es la implementación de un sistema de
chispa (bujía) que actúe en forma similar al motor gasolinero, pero
termodinámicamente podría resultar algo complicado, Por otro lado, también se
tendría que compensar la capacidad lubricante que se afectaría por la limpieza
del gas natural; es probable que tenga que considerarse el arranque inicial y
algunos minutos diarios de operación con diesel, lo que complica el proyecto.
La conversión que se está efectuando actualmente considera la conversión del
ciclo diesel al Otto, cambiando la mitad o todo el sistema de cilindros y
mecanismos de control; el cambio involucra incorporar la opción gasolina, por
el problema de lubricación comentado.
En térmicos generales, para las capacidades y tamaños de automotores diesel,
difícilmente resultará económicamente viable la conversión de motores diesel al gas
natural en este sector, constituyendo también un campo aparente para investigación
aplicada.
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14.2.4 Conversión GNV de 5ta. Generación
Las ventajas técnicas que proporciona la conversión de motores gasolineros a GLP han
procurado compensarse mediante el desarrollo de nuevas tecnologías de aplicación del
GNV que permiten disminuir las pérdidas de potencia y mantener los rendimientos
originales. Esta nueva tecnología resulta equivalente a los modernos sistemas de control
sincronizado de válvulas variables inteligentes (VVTI), llamado para el caso del GNV
de quinta generación.
Este nuevo sistema de inyección de GNV de 5ta generación ya representa una
realidad y ha mejorado considerablemente el trabajo de motores gasolineros
con GNV. A diferencia de los equipos convencionales que aspiran el gas por el
múltiple de admisión mediante la instalación de un mezclador, este sistema
inyecta el volumen justo de gas a presión a cada cilindro en forma secuencial.
Consta de una rampa de inyectores independiente que alimenta al motor con el
gas a presión, una Unidad de Mando que gestiona la inyección de gas, un
display para conmutar ambos combustibles, un reductor de alta tecnología,
sensores y accesorios de instalación.
Figura 14.9
La misma diferencia que existe entre los motores carburados y los equipados
con inyección electrónica, existe entre los anteriores sistemas aspirados y los
de 5ta generación (Sistemas de inyección Secuencial). Esto se debe a que la
unidad de Mando de este equipo "observa" los mismos sensores que la Unidad
de mando original del auto que gestiona la inyección de gasolina y, gracias a
esto, los cálculos de volumen de gas procesados por la nueva Unidad de
Mando de gas logran ser prácticamente perfectos, obteniendo así resultados de
potencia y torque similares a los obtenidos con nafta.
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Los sistemas aspirados poseen la desventaja de provocar la mezcla de gas y
aire en el múltiple de admisión, hecho que posibilita la existencia de
"contraexplosiones" y probables roturas.
Este sistema no requiere abrir la Unidad de Mando original del auto ni la
inserción de Chips en ella, con la consecuente disminución de fallas.
Los antiguos sistemas emulan la sonda de gases "engañando" a la Unidad de
Mando original, ya sea mediante la modificación del programa o la insercion de
emuladores. De esta manera, la gran ventaja que constituye un sistema a lazo
cerrado que corrige en forma permanente la cantidad de combustible inyectado
al motor se pierde, emitiendo al exterior gas sin quemar o provocando una
combustión pobre en detrimento de la potencia del motor.
El sistema de inyección secuencial mantiene el lazo cerrado original del auto,
apoyándose en la información que genera la Unidad de Mando original para
efectuar sus propios cálculos, optimizando así la combustión y mejorando el
tiempo de vida útil del motor.
Este revolucionario sistema era propiedad de grandes empresas europeas de
desarrollo automotriz, debiendo importar los equipos en forma obligada y
dificultando los trabajos a la hora de realizar ajustes y mantenimiento. El
desarrollo tecnológico en talleres latinoamericanos está consiguiendo
resultados espectaculares, eliminando la dependencia tecnológica y
disminuyendo los costos de conversión, por utilizar tecnología y piezas de
fabricación local.
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La inyección secuencial también se aplica a los motores que se convierten a GLP, pero
representan una ventaja menor, porque mientras en el caso del GNV tienen hasta un
20% de pérdidas por compensar, en el caso del GLP solamente tienen por compensar un
5%; sin embargo, el incremento del costo de la instalación del nuevo sistema representa
para ambos un diferencial comparativo menor: Para GNV el incremento es de US$
1.000 por unidad, mientras que para el GNV alcanza en promedio US$ 800.
14.2.5 Almacenamiento de GNV por Adsorción
La otra gran desventaja del GNV respecto a la gasolina y el GLP, es la mnor autonomía
de los vehículos por capacidad de almacenamiento, para compensarla se ha desarrollado
la Tecnología de Adsorción.
Esta nueva tecnología , intermedia entre el GNC y el GNL, utiliza el fenómeno físico
de Adsorción de gases sobre superficies sólidas para almacenar la misma cantidad de
Gas Natural a menores presiones que el GNC (60-80 Bares) o prácticamente triplicar
la capacidad de almacenamiento a las presiones tradicionales (200 – 220 Bares).
La mayor capacidad de almacenamiento de un material ocupando el mismo
volumen aparentemente contradice las leyes físicas y la Ecuación de Estado,
pero se explica porque la adsorción de gases sobre la superficie sólida provoca
la incipiente condensación en microgotas del gas. Al haber un cambio parcial
de estado físico, se comprende que pueda disponerse de mayor cantidad de
masa en el mismo volumen (Figura 14.10).
Figura 14.10
Proceso físico de Adsorción
La Adsorción es la adhesión de moléculas de líquidos, gases y sustancias
disueltas a la superficie de un sólido. La capacidad de adsorción de un sólido
depende de su conformación química y su estructura física, resultando
determinante la disponibilidad de la mayor superficie de contacto y la
naturaleza del sólido que favorezca la adsorción. Un ejemplo típico en este
caso resulta el carbón activado, que presenta una gran superficie específica de
contacto por su naturaleza porosa, ubicado en el interior de un refrigerador
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casero para eliminar los olores; los gases que producen los malos olores son
adsorbidos en el interior de los poros del carbón activado.
Si nos imaginamos un tanque convencional de Gas Natural Comprimido,
mientras mayor sea la presión, aumentará la cantidad de masa almacenada en
el tanque, resultando el factor limitante las características físicas del tanque y la
válvula de cierre. La adición de un material microporoso, tal como carbón
activado, en el interior del tanque, permitirá almacenar mayor masa de gas en
el mismo tanque, a la misma presión, o almacenar la misma masa de gas en el
tanque, a menor presión.
Para nuestro caso en análisis, estas posibilidades podrían representar las siguientes
ventajas:
Disminuir los costos de tanques de almacenamiento, aumentar la
disponibilidad de espacio y/o aumentar la autonomía de vehículos
convertidos al GNV.
Incorporar vehículos pequeños de 3 y 4 llantas (motos, triciclos y ticos) al
mercado del GNV al aligerar el peso y disminuir los costos de conversión.
Disminuir el costo de inversión y requerimiento de espacio para Estaciones
de GNV.
Igualar o mejorar la capacidad de almacenamiento para transporte de GNL,
al utilizar camiones más livianos que los criogénicos, permitiendo mayor
aprovechamiento del límite de peso en carreteras (45 TM en el Perú) para
carga útil.
Disminuir radicalmente los costos de inversión en las plantas de
acondicionamiento de gas, respecto a las mayores presiones de GNC y las
plantas criogénicas.
Facilitar y abaratar las instalaciones para recepción y acondicionamiento del
gas natural a las condiciones requeridas en plantas industriales.
Figura 14.11
La tecnología de adsorción permite ampliar
el espectro de aplicaciones de GNV
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14.3 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE
TURBINAS DE GAS DEL USO DE DIESEL 2 AL GAS NATURAL
Las turbinas de gas de ciclo simple a presión constante han constituido tradicionalmente
la mejor opción para disponer de capacidad de generación termoeléctrica con niveles
moderados de inversión y en plazos relativamente cortos, aunque con bajos niveles de
eficiencia, utilizando combustibles líquidos. Al surgir la disponibilidad de gas natural y
elevarse los precios del petróleo, la conversión resulta obligatoria, pero generalmente se
sustenta el cambio de combustible en razón de su diferencial de precios, conformándose
con una ligera disminución de potencia y eficiencia, lo cual resulta injustificado, porque
las ventajas termodinámicas y funcionales del empleo del gas natural respecto al diesel,
representan un importante potencial de optimización adicional que puede y debe
aprovecharse.
Las turbinas de gas son motores endotérmicos que convierten la energía química de la
combustión continua desarrollada en las cámaras de combustión y aplicada al aire
proveniente de un compresor centrífugo, para disponer de un flujo que al impactar con
los álabes de la turbina provoque el salto térmico que convertido en energía mecánica
produzca la rotación del eje que se convertirá en energía cinética en el compresor y
energía eléctrica en el generador.
El ciclo termodinámico que cumplen las turbinas de gas es el ciclo Brayton. En la
Figura 14.12 podemos apreciar los componentes y los Diagramas Presión – Volumen
(P-V) y Temperatura – Entropía (T-S) de una Turbina de Ciclo Simple.
Figura 14.12
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Las transformaciones termodinámicas las podemos analizar en los Diagramas Presión –
Volumen (P-V) y Temperatura – Entropía (T-S) con el propósito de establecer los
factores diferenciales entre la utilización de Diesel y Gas Natural en la turbina:
En el Diagrama PV: El aire ingresa al sistema a presión atmosférica y es comprimido
adiabáticamente (1- 2); en la cámara de combustión se introduce una determinada
cantidad de calor (Q1) a presión constante (2-3); La expansión se produce en los álabes
de la turbina (3-4) y finalmente, los gases se descargan al exterior, pudiendo volver a la
condición inicial con otras combinaciones (4-1). Tomando en cuenta la definición del
trabajo realizado por la turbina ( dL = P dV), representado en la figura por el área 1-2-34, el trabajo total es tanto mayor cuando se alarga la línea a presión constante 2-3, al
aumentar el volumen con el calor introducido en esta etapa, incrementándose el salto
entálpico al producirse la expansión del flujo en los álabes de la turbina.
En el Diagrama TS: En el proceso isoentrópico que se efectúa en el compresor (1-2) se
incrementa presión y consecuentemente temperatura; en la cámara de combustión (2-3)
se introduce calor a presión constante, llegando al máximo contenido entálpico. En la
expansión isoentrópica que se aplica para impulsión de los álabes de la turbina (3-4) se
convertirá calor en trabajo en forma proporcional al salto entálpico que se traduce en
giro del eje, saliendo el calor restante con los gases residuales, desperdiciándose en el
ambiente o aprovechándose para generación posterior de vapor en un ciclo combinado.
El calor aplicado corresponde al área 1-2-3-4 y podría incrementarse para aumentar el
salto entálpico del flujo en la medida que se aumente la temperatura , alargando 3-4 o
efectuando el ciclo a mayores presiones ( dQ= T dS).
Al efectuar la conversión del Diesel 2 por Gas Natural en una Turbina de Gas, podemos
establecer un importante potencial de optimización de su capacidad y rendimiento,
basados en los siguientes factores:
a)
Eliminación total de pérdidas por inquemados
Utilizando Diesel 2 resulta asumible la presencia de inquemados sólidos, en razón de la
necesidad de atomización y la imperfección de la combustión en el escaso volumen útil
y limitado tiempo de combustión de las pequeñas cámaras de combustión tubulares. La
facilidad de manejo y velocidad de combustión del gas natural en las condiciones
oxidantes de la combustión de las cámaras de combustión de las turbinas de gas,
aseguran combustión completa.
b)
Disminución de pérdidas por radiación y convección
Al atomizar el Diesel 2 y producirse la disociación de sus componentes, las pártículas
de coque se miden en micras; la disociación del gas natural produce partículas de coque
con tamaños medidos en Angstrons; esta diferencia se traduce en menores emisividades
de llama para el gas natural. Tomando en cuenta la Ecuación de Transferencia de Calor
por radiación : Qr = m. e. (dt)4, el calor transferido resultará menor, disminuyendo la
temperatura del cuerpo de la turbina, y consiguientemente, menores pérdidas por
radiación y convección al ambiente.
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c)
la
Incremento de la Entalpía del flujo de gases que impactan en los álabes de
turbina
Al sustituir Diesel 2 por Gas natural se puede lograr un incremento de la Entalpía en el
ingreso a la turbina, por los siguientes factores:
Al no requerirse la atomización en el caso de Gas Natural, la disponibilidad de
volumen útil en la cámara es mayor, pudiéndose quemar mayor proporción de
combustible y generar mayor disponibilidad de calor.
La energía de la presión de inyección del Diesel 2 se consume en el trabajo de
atomización; la presión del gas natural, asegurando condiciones de mezcla y
combustión completa mediante el difusor y el torbellinador, pueden permitir un
sustantivo incremento de presión que incremente la entalpía (H = U + PV).
Al disponer de mayor disponibilidad de calor, para mantener la temperatura
dentro de los límites establecidos por la metalurgia de los álabes de la turbina,
podría atemperarse los gases con la inyección de agua que al vaporizarse
absorberá el calor latente de vaporización (540 Kcal/Kg), incrementando la masa
disponible y Entalpía total de los gases.
c)
Estabilidad del frente de llama y control operativo del sistema
A operar con Diesel 2, las variaciones del tamaño de gotas, tiempo de atomización,
encendido y combustión, producirán inevitablemente cierto nivel de inestabilidad del
frente de llama que se traducirá en tendencia periódica al alargamiento de llama y
retrollama, obligando a mantener un margen de seguridad térmica relativamente amplio
para proteger los álabes de sobrecalentamiento.
Al disponer de condiciones perfectamente estables con la combustión del gas natural,
estrechando la longitud de onda de la variación de temperaturas en los gases, podrá
incrementarse la misma, trabajando a temperaturas más cercanas al límite, mejorando
las condiciones del salto entálpico.
e)
Mantenimiento y Ecología
La limpieza y mejor estabilidad térmica de los gases que impactan sobre los
álabes de la turbina operando con gas natural se traducirán en periodos más
largos de operación de los álabes y cumplimiento de los niveles de emisiones
exigidos por la normas de control ambiental.
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Figura 14.13
Turbina de Gas de presión constante y ciclo simple.
Basados en el análisis termodinámico efectuado, podemos establecer los siguientes
puntos:
El Gas Natural resulta el combustible ideal para operación de una Turbina de
Gas.
Al sustituir Diesel 2 por Gas Natural debe conseguirse importantes niveles de
incremento de potencia y rendimiento en turbinas de gas.
Para disponer de niveles aceptables de rendimiento de la turbina de gas se debe
disponer de compresores y turbinas de alto rendimiento, con álabes que soporten
altos requerimientos mecánicos y térmicos.
Siendo limitada la eficiencia máxima alcanzable de las turbinas de gas,
necesariamente tendrán que considerarse como parte de ciclos combinados.
La sustitución de Diesel 2 por Gas natural, además de las ventajas técnicas y
económicas, representa una importante opción ecológica.
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14.3 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE MOTORES
ENDOTÉRMICOS AL GAS NATURAL
La conversión de la energía química almacenada por la naturaleza en los
combustibles fósiles involucra una primera transformación en energía térmica,
al
producirse la reacción de combustión. El calor contenido en los gases de
combustión debe traducirse en energía mecánica en forma de movimiento de
un
eje que permita a su vez accionar automotores o generar energía eléctrica en
un
alternador.
Los motores de combustión interna efectúan este trabajo utilizando diversos
diseños y accionamientos mecánicos, para los cuales resultará muy
conveniente la menor presencia posible de impurezas, por lo cual la
disponibilidad de gas natural representa una oportunidad económica y
ecológica ineludible en este campo.
La conversión de motores del ciclo Otto no representa mayor problema técnico
porque el gas natural resulta equivalente a una gasolina de 125 octanos,
debido a la excelente capacidad antidetonante del metano, no teniendo
problemas para
encender por la presencia de la chispa; en el caso de motores diesel, las
dificultades técnicas son mayores, pero la conversión sigue siendo atractiva,
por lo que resultará verdaderamente importante analizar tales proyectos desde
el punto de vista termodinámico.
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14.4
GAS NATURAL Y EL CICLO DIESEL
La diferencia fundamental entre los motores gasolineros y diesel es que en el primero
se comprime la mezcla combustible en el cilindro y el final de la carrera del pistón
coincide con la chispa de encendido, produciéndose la explosión a volumen constante,
en el Diesel se comprime solamente aire y al final de la carrera del pistón no hay
chispa; la inyección del combustible se enciende al ponerse en contacto con el aire a
presiones y temperaturas elevadas, siendo el Indice de Cetano el parámetro que
establece la velocidad de ignición, correspondiendo al diesel un valor mayor al 55 %.
La principal consecuencia de tal diferencia se traduce en la posibilidad limitada de
comprimir la mezcla combustible sin que se produzca la explosión por efecto de la
elevación de presión y tenperatura (10 a 1) ; en el caso del diesel , al comprimirse
solamente aire incombustible, la relación de compresión es considerablemente mayor,
permitiendo desarrollar mayores potencias y mejores rendimientos ( 20 a 1) .
En la Figura 14.14 se muestra el funcionamiento del motor y el ciclo diesel. En el
Diagrama PV se aprecia la etapa de compresión adiabática (1-2) y la que corresponde a
la combustión que se puede considerar isobárica. En el Diagrama T-S se aprecia la
compresión isoentrópica, elevándose correspondientemente la temperatura, y el aporte
entálpico a presión constante.
Si inyectamos gas natural en un motor diesel, al no haber chispa no enciende,
interrumpiéndose el ciclo; la razón por la que no enciende es precisamente la
característica antidetonante del metano, por constituir una molécula perfecta,
dificultándose su disociación, condición previa indispensable para su encendido y
reacción (Teoría Inorgánica de la Combustión).
Al no poder operar el motor diesel solamente con gas natural, para su conversión tiene
que
modificarse la concepción de diseño original; para permitir el encendido del gas debe
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disponerse de una fuente de ignición, existiendo dos posibilidades: Inyectar una
determinada proporción de Diesel o instalar un sistema de bujías que provoque una
chispa en el momento de inyección; la primera representa convertir el motor a operación
mixta o dual y la segunda, convertir el motor al ciclo Otto. Para analizar ambas
posibilidades, debemos tomar en cuenta la cinética de reacción, mecánica de fluidos y
su termodinámica en el interior de los cilindros.
Figura 14.14
Ciclo Diesel
14.4.2 CONVERSIÓN PARA OPERACIÓN MIXTA O DUAL
La utilización conjunta de un diesel 2 con alto índice de Cetano y fácilmente inflamable,
con Gas Natural, difícil de encender y fácil de quemar produce un ciclo termodinámico
diferente en el reactor, intermedio entre el diesel y el Otto, ya que se aleja del diesel al
modificarse la presión con la explosión del gas y se aleja del Otto, al modificarse el
volumen con el pequeño intervalo entre la ignición del diesel y el gas.
El ciclo resultante se denomina Sabathé y lo podemos apreciar en los Diagramas PV y
TS de la Figura 14.15 .
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En el tramo 1-2 se produce la compresión del aire en el cilindro; las inyecciones del
diesel en 2-3 y gas en 3-4 producen una evolución parcialmente isócora e isobárica, que
pudiendo ser diferente a la mostrada en el diagrama PV, presentándose primero la parte
isobárica y luego la explosión del gas a volumen constante.
Figura 14.15
Ciclo Sabathé
El Ciclo Sabathé, al producir un incremento del área por ensanchamiento de presión y
volumen, incrementa el trabajo obtenido y permite alcanzar mejores rendimientos, como
se puede apreciar en la Figura 14.16.
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Figura 14.16.
Comparación de Ciclos Otto, Diesel y Sabathé
Tomando en cuenta que el ciclo Otto desarrolla mayores presiones y temperaturas, a
relaciones de compresión similares resulta más eficiente que el Diesel, pero como al
comprimir aire la relación de compresión que se puede manejar es mayor, normalmente
el rendimiento de los motores diesel es algo mayor al de los gasolineros. En la gráfica se
observa que en el ciclo Sabathé, con las mismas relaciones de compresión del diesel y
las condiciones de explosión del Ciclo Otto, el rendimiento resultante es mayor, lo que
resulta una ventaja para la conversión de los motores diésel para operar en forma mixta
con gas natural.
En el diseño de los inyectores se puede y debe aprovechar la energía cinética del gas
natural para favorecer la formación de llama y turbulencia en el interior del cilindro, que
representa el reactor o cámara de combustión.
La operación mixta tiene la desventaja de tener que disponer de instalaciones para
almacenar ambos combustibles cuando se trata de automotores.
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14.4.3 CONVERSIÓN AL CICLO OTTO
Podríamos considerar que resultaría suficiente reemplazar la inyección de diesel como
detonador de la combustión del gas natural por una chispa generada por una bujía,
similar a la de los motores gasolineros, pero la sincronización entre la inyección del GN
y la chispa resulta complicada por encontrarse separados combustible y comburente.
Sin descartar la posibilidad de que pueda desarrollarse un sistema que permita una
ignición adecuada del gas natural por chispa en motores, podemos convertir los motores
diesel al ciclo Otto, inyectando gas natural con el aire de admisión y disponiendo la
incorporación de una chispa de encendido.
Como se pudo apreciar en la Figura 3, el rendimiento de motores del ciclo Otto resulta
limitado por la relación de compresión máxima admisible con combustibles líquidos
con capacidad antidetonante limitada. La posibilidad de operar estos motores con gas
natural, permitirá operarlos con mayores relaciones de compresión, obteniendo niveles
de rendimiento similares a los obtenidos con el ciclo diesel.
Los sistemas modernos de control monitorizado de inyección secuencial de combustible
a cada cilindro individual (quinta generación), permitirán mantener un excelente
control operativo de motores diesel convertidos al ciclo Otto para operar con gas
natural.
Representando la termodinámica el fundamento de los motores endotérmicos
rotativos y alternativos, el análisis efectuado para incorporar el gas natural como
combustible en motores diesel permite establecer la conveniencia de diseñar
motores específicamente adecuados para operar con gas natural utilizando el ciclo
Otto, con relaciones de compresión más altas que las normalmente utilizadas para
combustible líquidos. En la mima forma, poder operar satisfactoriamente con gas
natural, motores diesel con chispa de encendido.
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El desarrollo de modelos mecánicos que permitan convertir en realidad diseños
termodinámicos, representa el campo de investigación aplicada con mejores
posibilidades de éxito técnico, económico y ecológico en los próximos años.
14.5
Cogeneración con Gas Natural
14.5.1 Concepción y criterios generales
La cogeneración es un sistema alternativo, de alta eficiencia energética, que permite
reducir de forma importante la factura energética de ciertas empresas, sin alterar su
proceso productivo, como puede apreciarse en el Gráfico de la Figura 14.17.
Figura 14.17
Se puede definir como la producción conjunta y simultánea de electricidad y energía
térmica útil, permitiendo conseguir rendimientos globales más elevados que la
generación eléctrica y consumos térmicos manejados en forma individual.
La aplicación de la Cogeneración siempre ha representado una excelente posibilidad de
optimización de costos energéticos, pero no ha sido tan difundida por algunas de las
siguientes razones:
Desequilibrio entre requerimientos de energía térmica y eléctrica
Dificultades para adaptar combustible líquidos y sólidos a los modelos
tradicionales de Cogeneración.
Rentabilidad de proyectos , cumpliendo normas medio ambientales
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La disponibilidad de Gas Natural con todas sus ventajas técnicas, económicas y
ecológicas elimina los inconvenientes y proporciona todas las ventajas, permitiendo su
facilidad de combustión y versatilidad de manejo hacer factibles y viables todas las
posibilidades de optimización energética y termodinámica.
14.5.2 COGENERACIÓN CON MOTORES ALTERNATIVOS
La cogeneración no se aplica solamente para grandes instalaciones industriales que
justifiquen instalaciones para pre-combustión y complicados sistemas de control
ambiental; la limpieza del gas natural permite considerar sistemas de cogeneración que
se apliquen a instalaciones que requieren servicios con niveles termodinámicos
modrados, tales como hospitales, hoteles, edificios de apartamentos, clubes sociales,
etc.
El sistema que permite proveer energía eléctrica y térmica en este tipo de instalaciones
considera grupos eléctricos del Ciclo Otto, operando con gas natural (Figura 14.18).
Figura 14.18
Generador con recuperación de calor de los gases de escape
Estos sistemas utilizan motores alternativos de combustión interna, generalmente de
ciclo OTTO de gas natural. El gas mezclado con aire en la proporción adecuada y a una
presión y temperatura establecidas provoca, mediante un foco de ignición una fuerte
reacción exotérmica, cuya energía liberada genera una fuerza motriz que acciona un
generador eléctrico. El nivel de temperatura que es posible recuperar del calor residual
de los motores los hace particularmente indicados para su aplicación en sistemas
de climatización de locales en el sector servicios.
La combustión del gas natural produce:
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Agua para calefacción: procedente del circuito de refrigeración del motor donde
el agua puede alcanzar los 90-95°C.
Vapor: generado directamente por el aprovechamiento de los gases de escape
del motor.
Agua sobrecalentada o vapor a baja presión.
Eventualmente agua caliente a 45-50°C, recuperada del circuito de refrigeración.
VENTAJAS DE LA COGENERACIÓN CON MOTORES ALTERNATIVOS:
Adaptación instantánea a las necesidades de producción de energía
La flexibilidad de estos sistemas permite dar una ágil respuesta a las necesidades de
potencia demandada por el usuario. Los motores se adaptan muy rápidamente
a variaciones de la demanda, lo que los capacita para trabajar en régimen continuo,
separados de la red de suministro eléctrico, con usuarios cuya demanda de potencia
variable. También permite el funcionamiento en paralelo con la red, modulando la
potencia de los grupos, de manera que no se llegue a exportar energía a la red, en el caso
que no resulte conveniente.
Equipos modulares
La flexibilidad de estos sistemas permite dar una ágil respuesta a las necesidades de
potencia demandada por el usuario.
Amplios rangos de potencia en bajas escalas
Los motores de cogeneración con gas cubren una gama de potencias unitarias entre 75
y 7,500 kW y tienen unas claras ventajas económicas de instalación y explotación frente
a las turbinas en potencias de hasta 3,000 kW.
Fraccionamiento de potencia
Una solución muy empleada para ajustarse a demandas de energía variable es la
utilización
en paralelo de varios equipos de cogeneración de baja potencia que pueden entrar en
funcionamiento escalonadamente.
Disminución de inversiones
Ahorro de la inversión en almacenamiento de combustible, ahorro en grupos de
emergencia y posibilidaddes de ahorros en instalaciones eléctricas.
Menores Gastos de Mantenimiento
Se produce una combustión ajustada y perfecta, lo que implica que los gastos
de mantenimiento sean menores que con los combustibles líquidos, la
degradación y ensuciamiento del aceite es menor y la vida del motor se alarga.
Los costos de mantenimiento consisten básicamente en la reposición de aceite,
bujías y filtros, según secuencias preestablecidas .
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No requieren suministros de gas a alta presión
Pueden funcionar con suministro de gas natural a baja presión:( 50 mbar), si
son motores de aspiración natural y 1.5 bares relativos si son
sobrealimentados.
14.5.3 Cogeneración con Turbinas de Gas para producción de vapor
Las turbinas a gas operando con gas natural representan el equipo ideal para
Cogeneración, debido a que para producir la energía mecánica que produce el giro del
eje que pueda conectarse a un generador, bomba, compresor, etc. que produzca trabajo,
utiliza fundamentalmente la energía cinética de los gases que impactan los álabes,
permaneciendo casi inalterable el contenido de energía térmica. Esto explica sus bajos
niveles de eficiencia cuando trabaja en circuito abierto, porque libera a la atmósfera los
gases de salida a muy altas temperaturas (800 °C). Todo este potencial térmico se puede
aprovechar en muchas formas, con importantes posibilidades y ventajas, constituyendo
sistemas de Cogeneración.
El aprovechamiento de este valioso potencial térmico para generación de vapor resulta
la aplicación más frecuente en la práctica, pudiendo mencionar los siguientes:
Ciclo Combinado con turbina de Condensación (Figura 14.19) : .
Completa el circuito abierto de la turbina de gas, con el que se alcanza 32 % de
eficiencia como máximo, utilizando los gases calientes para generación de vapor de alta
presión para generación eléctrica en una turbina de vapor, alcanzando rendimientos
globales superiores a 72 %, cerrando el circuito termodinámico con un condensador.
Generalmente se implementan en Centrales Termoeléctricas, en las cuales el objetivo y
producto más importante es la energía eléctrica.
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La recuperación del calor contenido en los vapores y condensado representa un desafío
técnico que se orienta al objetivo de conformar un Sistema de Energía Total, el cual
solamente considera justificables las pérdidas termodinámicamente inevitables.
Figura 14.19
Ciclo Combinado eléctrico
Ciclo combinado con turbina de Contrapresión (Figura 14.20)
Este sistema además de generar energía eléctrica en las turbinas de gas y vapor, produce
vapor de media presión que permitirá proporcionar el calor requerido en procesos
industriales en plantas textiles, pesqueras, químicas, etc.
Figura 14.20
Ciclo Combinado
Térmico
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14.5.4 Cogeneración con Turbinas de Gas para producir gases para
secado
La utilización de los gases calientes de las turbinas de gas, tomando en cuenta que los
gases de combustión del gas natural son totalmente limpios (Figura 14.21), representa
una opción de disponer de un fluido ideal para secado directo o indirecto, combinados
con aire de dilución en la proporción necesaria para cada caso.
Figura
14.21
Considerando que el secado representa el proceso - operación unitaria más frecuente en
plantas industriales, sus posibilidades de aplicación resultan ilimitadas. Consideremos
algunos de los casos más factibles y rentables:
En plantas textiles para secadores, termofijado, máquinas rama, etc.
En plantas minero – metalúrgicas para secado del concentrado
En plantas pesqueras para secado directo, indirecto y sobrecalentamiento de
vapor para secado.
En plantas de cemento, para secar materias primas y/o puzolana.
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14.5.5 Cogeneración con Turbinas de Gas para producción de aire terciario de
combustión en plantas cementeras
La industria cementera es un consumidor intensivo de energía térmica y
eléctrica, lo que determina condiciones potencialmente favorables para
proyectos de cogeneración; sin embargo, existen muy pocas experiencias
en este campo, debido a que en las plantas antiguas no se presentan
condiciones favorables y a los cementeros no les interesaba vender energía
eléctrica. Para plantas modernas con precalcinación y ejecutivos con mayor
amplitud de criterio empresarial , proponemos un enfoque diferente.
SISTEMAS DE COGENERACIÓN ADECUADOS
Los sistemas que utilizan turbinas de vapor están descartados en plantas cementeras con
niveles termodinámicos más exigentes que los del vapor saturado y muy pocos
requerimientos térmicos auxiliares. La utilización de calor recuperado de gases de
chimenea también resulta termodinámicamente insuficiente.
En realidad, el sistema de cogeneración que podría aplicarse consiste en la instalación
de turbinas de ciclo simple, en las cuales se utiliza la energía cinética de los gases de
combustión, desperdiciando el calor liberado por las chimeneas, con gases a
temperatura mayores a 800 °C, lo que explica sus bajos niveles de eficiencias (38%).
Estos gases calientes con un 16% de Oxígeno podrían reemplazar al aire terciario de la
precalcinación. La viabilidad técnica de este proyecto estaría asegurada si podemos
demostrar que resulta más conveniente utilizar los gases de salida de una turbina,
autogenerando energía eléctrica, que utilizar aire transportado desde el enfriador o el
cabezal.
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Figura 14.22
En el corazón de un ducto de aire terciario
AIRE TERCIARIO versus GASES DE TURBINA
Para establecer la conveniencia del aire terciario efectuemos un pequeño balance
térmico que nos permita comprobar la importancia económica de recuperar el calor del
clínker para disponer de aire caliente en el precalcinador.
Un sistema típico con precalcinador, donde se consume el 60% de aporte térmico, con
una capacidad de producción de 100 TM de Clínker por hora y un consumo específico
de 800 Kcal/Kg de Clínker, nos permite el siguiente análisis:
Requerimiento de aire de combustión :
Requerimiento total de aire de combustión :
Requerimiento Aire en el Horno :
Requerimiento Aire en el Precalcinador:
1 m3N/1000 Kcal
80.000 m3N/h
32.000 m3N/h
48.000 m3N/h
Recuperación de calor en el aire terciario :
48.000 m3N/h . 700°C . 0.31 Kcal/ m3N/h.°C = 10´416.000 Kcal/h
Esta recuperación se perdería en caso de utilizarse aire atmosférico.
¿Cuánto representa respecto al consumo específico total?
10´416.000 / 800´000.000 = 1.3 %
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¿Cuantos Kw-h se pueden generar para disponer de este volumen de fases
equivalentes al aire terciario?
Tomando en cuenta que el calor contenido representa alrededor del 60 % del calor total
aportado a la turbina y el 37% el calor útil, el mismo representará algo de 7.000 Kw-h.
Si consideramos un precio promedio por Kw-h adquirido de la red de US$ 0.06,
tomando en cuenta el cuadro comparativo d costos de generación, podemos deducir que
solamente se justificará la evaluación del proyecto de Cogeneración con el sistema
seleccionado operando con gas natural, debiendo descartarse en el caso del Diesel 2.
Figura 14.23
Tomando como referencia un valor de 0.3 US$ para el Kw-h Cogenerado y aportando
el aire terciario equivalente, el ahorro en el suministro eléctrico de 7 Mw-H será de
US$140 que permitirían recuperar la inversión requerida en un plazo aproximado de 18
meses.
Basados en los análisis mencionados, podemos plantear algunas inquietudes
interesantes para los ingenieros de planta cementeros:
5. Suministrar aire terciario a partir de la operación de una turbina de gas,
cogenerando energía eléctrica para operación de planta, resulta más conveniente
que enviar aire recuperado desde el enfriador por un ducto aislado. En el caso
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6. La Cogeneración en una planta cementera representa una posibilidad que debe
considerarse, pudiendo constituir un proyecto rentable, si se presentan
condiciones de suministro de gas natural a precios convenientes y se tienen altos
costos de contratación del suministro eléctrico de la red pública.
7. Para sistema de producción de clínker con engriadores tipo satélites, en los
cuales no se puede extraer aire terciario, la cogeneración resultará un proyecto
obligatorio, considerando que la precalcinación es indispensable para cualquier
horno cementero.
8. La inversión de un ducto de aire terciario en una planta cementera no parece un
proyecto rentable para el productor, pero sí para los proveedores del sistema.
Este tema constituye objetivo de investigación que deben desarrollar los
responsables del trabajo técnico de cada planta individual.
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CAPITULO
15
Sistemas Alternativos
para transporte, distribución
y
suministro de Gas Natural
15.1
EL LARGO CAMINO DEL GAS NATURAL
La formación de yacimientos de hidrocarburos en la naturaleza ha demorado cientos de
millones de años, pudiendo estar constituidos principalmente por componentes líquidos
(petróleo con gas natura asociado) o por componentes gaseosos (gas natural y
condensados), que se encuentran en lugares tan variados como zonas selváticas
mediterráneas, zonas costeras de los continentes y lechos marinos en altamar.
siglo XXI
naturaleza en los
El mundo actual dependerá todavía todo el
de la energía almacenada por la
hidrocarburos
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Después de las etapas de exploración, prospección, comprobación de reservas y
mercado para comercialización y consumo, se inicia el camino del gas natural hacia los
usuarios, pudiendo destacarse las siguientes etapas:
15.1.1 Producción
Las características del yacimiento determinan rumbos muy diferentes:
En pozos petroleros con gas asociado, la recuperación del gas natural debe ser
planificada en forma conjunta con su transporte, distribución y consumo, por
resultar muy complicado su almacenamiento.
En Pozos gasíferos, el gas natural húmedo debe ser conducido a plantas de
separación del gas natural seco y condensados.
15.1.2 Transporte
El Gas Natural, constituido mayoritariamente por Metano, el Hidrocarburo más liviano
de la cadena orgánica, ocupa muy poco volumen en condiciones normales de
temperatura, como puede apreciarse en la siguiente comparación:
Para aportar 1 MM de BTU se requieren:
7 galones de Fuel Oil
7.7 galones de Diesel 2
8.4 galones de gasolina normal
11 galones de GLP
7140 galones de Gas Natural (27 m3N).
Para tales condiciones, el transporte masivo más adecuado y conveniente resultará a
través de circuitos de tuberías que permiten conducir desde los pozos petroleros o
plantas de separación grandes cantidades de masa de gas natural, en condiciones
controladas de presión y temperatura hasta los llamados City Gates, donde se inicia la
distribución hacia los consumidores locales (Figura 15.1).
Figura 15.1
La construcción de Gasoductos
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15.1.3 Distribución
Las disponibilidades del gas natural a elevadas presiones en los City Gates representan
las condiciones que deben aprovecharse para planificar en forma adecuada los sistemas
de distribución a los consumidores finales en cada uno de los sectores que tendrán la
oportunidad de utilizar este maná del cielo de la naturaleza (Figura 2).
Generalmente se otorga la concesión de este servicio a un concesionario exclusivo,
debiendo mantenerse un equilibrio conveniente entre los objetivos técnicos, económicos
y sociales para su comercialización, considerando que el gas natural representa un
recurso invalorable.
Figura 15.2
La distribución de Gas Natural
debe llegar a todos los sectores
15.1.4 Masificación del Consumo
El Gas Natural representa energía limpia, eficiente y económica, constituyendo una
herramienta fundamental de desarrollo para todos los sectores (Figura 3):
En el sector industrial representa una formidable oportunidad de optimización de
costos operativos, desarrollo tecnológico y preservación ambiental.
En el sector transportes: Ahorro efectivo de costos en combustibles y menor
contaminación ambiental.
En el sector comercial: Limpieza, economía y calidad de servicios.
En el sector domiciliario, calidad de vida de la población y posibilidades de
actividades económicas.
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15.1.5
Figura 15.3
Principales sectores de consumo
ANÁLISIS DE LA CONFIABILIDAD DEL SUMINISTRO DE GAS
NATURAL POR GASODUCTOS
Los gasoductos consisten en tuberías de acero por las que el gas circula a alta presión,
enterrados en zanjas y excepcionalmente sobre superficie. El trazado puede resultar muy
variado en cuanto a longitudes y características constructivas, pero siempre estarán
sometidos al cumplimiento de Normas Técnicas y deberán ser instalados siguiendo
procedimientos establecidos, priorizando siempre el factor seguridad del personal, las
instalaciones y el suministro. En gasoductos muy extensos, puede ser necesario
considerar en el diseño, estaciones de compresión a intervalos correspondientes a las
caídas de presión consideradas.
Considerando que para construir un gasoducto se tiene la seguridad de reservas
suficientes para el mercado proyectado y se tienen que cumplir rigurosamente las
normas y procedimientos establecidos, en condiciones normales se puede considerar
asegurado el suministro de gas natural por gasoducto a largo plazo. Sin embargo,
siempre existen posibilidades y razones que justifican ña necesidad de disponer de
sistemas alternativos que proporcionen y/o aseguren fas natural en forma permanente y
confiable:
Mantenimiento programado
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Los gasoductos no están conformados solamente por tuberías; en principio dependen en
forma inmediata de la disponibilidad de gas natural seco producido en la Planta de
Separación y la operatividad de las Estaciones de Compresión. Otros equipos críticos
cuyo mantenimiento pueda ocasionar interrupciones en el suministro de gas natural son
los siguientes:
Válvulas de cierre, regulación, control y seguridad.
Sistemas de control de corrosión y detección de fugas.
Válvulas de derivación y Hot Taps.
Sistemas de calentamiento.
Instalaciones en City Gates.
Figura 15.4
Los City Gate siempre
demandan mantenimiento
programado
La programación de mantenimiento en cualquier punto de los gasoductos no
representa necesariamente una interrupción del suministro de gas natural a los
usuarios, debido a que la propia tubería representa cierta capacidad de
almacenamiento, debido a que se transporta a altas presiones , se distribuye a
presiones medias y se termina utilizando en los equipos, generalmente a presiones
muy bajas.
Un gasoducto de 18 pulgadas de diámetro transportando gas natural a 100 bares
(promedio) contiene alrededor de 5 millones de metros cúbicos, que podrían
alcanzar para aproximadamente 15 días del consumo de 100.000 usuarios
residenciales, 3 días de 200 clientes industriales y solamente unas horas de usuarios
que utilizan el gas a mayores presiones, tales como las termoeléctricas.
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Un mantenimiento programado para 2ou 3 días, suprimiendo el consumo de grandes
consumidores a mayores presiones (termoeléctricas y GNV) podría pasar
desapercibido para los sectores industrial, comercial y residencial.
mpurezas del gas natural: Polvo negro
La literatura técnica identifica como polvo negro todas las partículas que se
presentan con el gas natural; para nuestro análisis preferimos separar las
impurezas en dos grupos:
Las impurezas de carácter físico, constituidas por gotas y partículas que
pueden provenir del mismo yacimiento o se generan durante las
operaciones de extracción, transporte, separación y compresión. Sus
características y propiedades físicas son conocidas y las instalaciones
disponen de sistemas adecuados para separarlas y eliminarlas.
Las impurezas de carácter químico que se forman en el interior de las
tuberías de gas húmedo y seco, por reacción entre los gases y vapores
que forman parte de la composición del gas natural transportado y el
hierro del acero de las tuberías del gasoducto. Estos componentes
poseen en su composición el oxígeno y lo ceden para permitir la
oxidación del hierro, formando compuestos híbridos que solidifican,
permaneciendo en suspensión en el flujo transportado. Este es el polvo
negro que nos interesa conocer y caracterizar para planificar su
adecuado tratamiento, evitando los problemas que ocasionan en todo el
sistema.
¿Cómo se forma el polvo negro?
Todos los metales y en particular el hierro en condiciones atmosféricas se
oxidan formando una capa de óxido que interrumpe el proceso, aislando el
metal del contacto con el oxígeno del aire; si desaparece esa capa se
volverá a formar y así sucesivamente hasta convertir todo el metal en óxido.
El caso más simple lo constituye el tubo de escape de los automóviles.
Como expertos en combustión reconocemos y estudiamos como importante
catalizador de la reacción de la combustión el hierro metálico; así lo
podemos comprobar cuando quemamos aceites lubricantes usados con
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limaduras de hierro del interior de los cilindros. En el interior de las tuberías
y con la elevada presión del fluido sobre las paredes, en presencia de
oxígeno, libre o combinado, el elevado potencial químico de la reacción de
oxidación determinará que se forme óxido de hierro que combinado con los
hidrocarburos presentes tomará el color negruzco característico. Mientras
que exista la más mínima cantidad de oxígeno, se producirá este fenómeno
y será fuertemente catalizado por la presencia de agua. Considerando que
resultará técnicamente imposible o económicamente inconveniente eliminar
totalmente el oxígeno del aire y el agua en la composición del gas, la
formación de polvo negro en los gasoductos resultará inevitable.
En el gas húmedo que se extrae de los pozos, en forma conjunta con los
hidrocarburos se encuentran contenidos variables de impurezas con
diferente comportamiento fisicoquímico, tales como componentes de azufre,
vapor de agua, dióxido de carbono, etc. Estos componentes en el interior de
la tubería de gas húmedo generan formas de corrosión ácida que tendrían
que ser separadas en la planta de tratamiento y separación de líquidos. Si
tales elementos subsisten en el gasoducto de transporte de gas seco,
continuarán reaccionando con el Hierro de las paredes internas de la
tubería de acero
Caracterización del Polvo negro
Estas partículas se forman por reacción química entre componentes ácidos
tales como el SH2 y el vapor de agua, por lo cual no solamente están
constituidos por oxido de hierro; la presencia de vapor de agua en el gas
natural y las altas presiones de transporte en los gasoductos, facilitará la
reacción entre el SH2 con el Oxido de Hierro, formándose Sulfuro de Hierro
(S2Fe) y vapor de agua.
Atendiendo los potenciales químicos de los compuestos considerador, se
formarán sulfuros de hierro con el azufre disponible, incrementándose el
contenido de Oxido de Hierro en la medida que quede oxígeno libre o
combinado, de tal forma que el polvo negro presenta generalmente mayor
proporción de este compuesto en la medida que exista mayor proporción de
aire y agua en los gases transportados.
En el medio orgánico considerado y en la interfase gas-líquido presente, el
desarrollo microbiano también determina una forma de catálisis bacteriana
que favorece la presencia de partículas de color negruzco, originado por la
presencia preponderante de hidrocarburos en el medio.
El origen químico de las partículas formadas establecen una condición
granulométrica muy pequeña, presentándose predominantemente partículas
muy finas, menores a 1 micra, lo cual determina grandes dificultades de
captación.
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Figura 15.5
Vistas microscópicas de muestras de polvo negro
húmedo y seco que permiten apreciar la finura de las
partículas, menores a 1 micra.
Problemas que ocasiona el polvo negro
El polvo negro puede ocasionar problemas en 3 partes del sistema:
En los Gasoductos:
Cuando en los gasoductos se mantienen velocidades muy bajas
se produce la sedimentación del polvo negro, acompañado de
otras impurezas, lo cual comienza a disminuir la capacidad de
transporte efectiva del gasoducto, hasta llegar con el tiempo a
niveles de obturación que obligan a su paralización para
operaciones de limpieza.
Cuando se opera a velocidades muy altas, las partículas sólidas
en suspensión provocan erosión en el interior de las tuberías.
La presencia de polvo negro, impurezas e hidratos favorece la
corrosión química de las tuberías.
En las Estaciones de Recepción, Regulación, Medición y Limpieza:
La exagerada finura del polvo negro (1 micra) establece dificultades
para su captación en los separadores ciclónicos y filtros de cartucho,
llegando una proporción importante a los sistemas de regulación y
medición, provocando inconvenientes físicos (erosión y obturación) y
químicos (corrosión).
En los medidores de flujo, afectará los medidores tipo turbina y de
pistón, resultando menos dañinos en los medidores ultrásónicos y
gravimétricos (efecto Coriolis) porque no afectan y por el contrario
inclusive favorecen la detección de la señal.
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En los equipos de combustión
En los quemadores de gas natural que trabajan a baja presión los
inconvenientes se presentan en los trenes de válvulas de regulación y
medición; en quemadores de alta velocidad (supersónicos) se presenta
la erosión de las boquillas.
En turbinas de gas, el polvo negro se quema en la cámara de
combustión donde se maneja atmósferas muy oxidantes, pero siempre
se tendrán partículas de oxido de hierro impactando en los álabes, por lo
cual debe procurar su eliminación total en los circuitos de limpieza.
Figura 15.6
Polvo Negro: El azote de los gasoductos
SOLUCIONES
Siendo inevitable la formación de polvo negro, solamente existen dos
posibilidades de minimizar los problemas que ocasiona el polvo negro: Evitarlo
y Removerlo.
Para evitar su formación se debe disminuir al mínimo posible la presencia de
componentes sulfurosos, agua y aire en el gas natural seco. El cumplimiento de
este objetivo depende exclusivamente del tratamiento aplicado en la planta de
separación de líquidos. Evidentemente en los ductos para transporte de gas
húmedo resultará mayor la producción de polvo negro.
En los City Gates y derivaciones importantes, donde se deben ubicar
calentadores para compensar la disminución de temperatura que acompaña la
regulación de presión en niveles inferiores, se puede utilizar el polvo negro
separado como fuente térmica.
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Ing. Percy Castillo Neira
Para remoción del polvo negro se utilizan chanchos de limpieza, requiriendo un
número importante de pasadas, dependiente del polvo acumulado. Se debe
disponer de instalaciones adecuadas para su eliminación del circuito hacia
tanques cerrados y protegidos, sin afectar las instalaciones aguas abajo y el
ambiente. La utilización de ―limpieza química‖ para eliminar el polvo adherido
al interior de las paredes no lo recomendamos, porque se volverá a oxidar el
acero, generando un acelerado agravamiento del problema eliminado;
preferible mantener esta capa protegiendo la tubería de abrasión y oxidación.
Imponderables y Atentados
Los gasoductos transportan material inflamable y volátil, por lo que son fuente
de accidentes y atentados. Aunque en el diseño y montaje de los gasoductos
se toman todas precauciones necesarias para evitar condiciones riesgosas y
atentados criminales, siempre existen posibilidades que se produzcan con
graves pérdidas de vidas humanas, interrupciones del servicio y daños en las
instalaciones.
Para mayor ilustración, analicemos algunos casos reales:
En UFA – Rusia, el 3 de Junio de 1989 dos trenes circulando, produjeron chispas que
detonaron gas natural de un gasoducto con fugas. Fallecieros 645 personas y se dañaron
varios kilómetros del gasoducto, quedando desabastecida una zona importante de
Europa.
La rotura accidental de un gasoducto principal en setiembre de 1993 durante los
trabajos de colocación de fibra óptica en la Autopista Regional del Centro en
Venezuela, provocó una explosión y posterior incendio dejando 53 personas muertas y
70 heridas.
El 28 de diciembre de 1998, la explosión de un Gasoducto en Colombia, en la
población de Arroyo de Piedra, murieron 15 personas y 25 resultaron heridas. No fue
posible determinar las causas, pero pruebas realizadas por las autoridades colombianas
indicaron la existencias de colonias de bacterias, las cuales atacaron la tubería causando
corrosión localizada generando escape de gas y la explosión del ducto.
La rotura de un gasoducto de gas natural que estalló en llamas en Nuevo México el año
2000, mató a 12 miembros de la misma familia, que realizaba una parrillada cerca del
punto de fuga provocada por la corrosión interna del gasoducto.
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Un gasoducto principal explotó el 30 de julio del 2004 en Bélgica (treinta kilómetros al
sudoeste de Bruselas), matando a por lo menos 23 personas y dejando 122 heridos,
algunos de extrema gravedad.
En Ucrania, en mayo del 2007, una explosión destruyóó parcialmente un gasoducto que
transporta gas a la Unión Europa.
En un atentado reivindicado por el Ejercito Popular Revolucionario, cuatro gasoductos
de Petróleos Mexicanos (PEMEX) explotaron una madrugada del 2007 en Veracruz
(México).
En numerosas oportunidades la guerrilla colombiana ha provocado explosiones en los
gasoductos de diversas zonas en Colombia.
15.2
SISTEMA ALTERNATIVO DE TRANSPORTE: GAS NATURAL
LICUADO (GNL)
La utilización de gasoductos resulta el sistema técnica y económicamente
apropiado para transporte de gas natural, pero para mercados importantes
ubicados a grandes distancias o transoceánicos, se ha desarrollado sistemas
que permiten transportarlo en forma líquida en grandes buques metaneros. El
gas natural es transportado como líquido a presión atmosférica y a -162 °C de
temperatura; el proceso de licuefacción reduce el volumen del gas natural 600
veces con respecto a su volumen original.
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LIBRO DE GAS NATURAL
Ing. Percy Castillo Neira
Las operaciones de GNL están ampliándose rápidamente en todo el mundo, y
cada vez hay más plantas en construcción o en vías de desarrollo.
Un proyecto de GNL es altamente complejo tanto desde el punto de vista
técnico así como del comercial. El proyecto debe tener en cuenta todos los
aspectos de la cadena de producción desde el yacimiento, el tratamiento
preliminar en los pozos, el transporte por tubería a la planta de licuefacción, el
llenado de barcos, el transporte a las unidades de revaporización y, finalmente,
la venta y distribución del gas ya sea como gas natural o en la forma de
electricidad.
Los proyectos de GNL son proyectos que representan varios miles de millones
de dólares de inversión, por lo que requieren la participación de compañías
integradas (que tengan unidades de exploración, producción y distribución de
gas) de alta solvencia económica y entidades financieras que contribuyan el
capital de inversión. Todos estos factores han creado una industria en la cual el
riesgo de inversión sea bajo y requiere que tanto los contratos de compra y
venta de gas sean a largo plazo, en este caso 20 años con reservas mínimas
en el orden de 12 trillones de pies cúbicos por proyecto (12 . 1012 )
15.2.1 Proceso de licuefacción
Cuando se extrae el gas natural de los yacimientos subterráneos,
generalmente contiene otros materiales y componentes que deben ser
eliminados antes de que pueda ser licuado para su uso:

Helio por su valor económico y por los problemas que podría producir durante el
licuado;

Azufre, corrosivo a equipos, dióxido de carbono que se solidifica en las
condiciones de licuefacción, y mercurio, que puede depositarse en instrumentos y
falsificar las
mediciones.

Agua, que al enfriar el gas se congelaría formando hielo o hidratos que podrían
provocar bloqueos en los circuitos del la planta de licuefacción.

Hidrocarburos que acompañan el gas natural, conocidos como condensado, que
pueden congelarse al igual que el agua y producir bloqueos del equipo y
problemas en la combustión del gas.
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El GNL producido debe ser usado en procesos de combustión y por lo tanto hay que
extraer algunos hidrocarburos para controlar su poder calorífico y el índice de Wobbe.
Dependiendo del mercado final, la remoción de etano, propano y otros hidrocarburos
debe estar controlada mediante una unidad de remoción de líquidos que puede estar
integrada en el proceso de licuefacción.
Para convertir el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta
aproximadamente -161 °C, que es la temperatura a la cual el metano, su
componente principal, se convierte a forma líquida. El proceso de licuefacción
es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes
produciendo líquidos fríos, tales como propano, etano/etileno,
metano, nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que
intercambian calor con la corriente de gas natural. De este modo, el gas natural
se enfría hasta el punto en que se convierte en líquido. Una vez que el gas ha
sido licuado se somete a un proceso Joule Thompson de expansión con
extracción de trabajo, para poderlo almacenarlo a presión atmosférica. El GNL
producido se almacena en tanques especiales para ser luego transferido a
buques tanques especiales de transporte (Figura 15.6).
Figura 15.6
Planta de Procesamiento
GNL
El diseño de estas plantas está
gobernado por normas estrictas, en la industria de GNL hay cuatro diseñadores
de plantas que se usan industrialmente: proceso con intercambiados de tubos
en espiral de Air Products (APCI y APX), la cascada optimizada de Phillips, el
triple ciclo refrigerante de Linde y el proceso de caja fría con mezcla
refrigerante de Black and Veatch (PRICO).
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Todos estos procesos son usados en la industria y competencias de diseño son
realizadas para seleccionar el proceso que va a generar el proyecto más
rentable a lo largo de toda su vida útil.
15.2.2 Almacenamiento del GNL
El GNL se almacena a -161 °C y a presión atmosférica en tanques criogénicos
especiales para baja temperatura. El típico tanque de GNL tiene doble pared:
una pared externa de hormigón armado, recubierto con acero al carbono, y una
pared interna de acero niquelado al 9%. La seguridad y la resistencia son las
consideraciones de diseño primarias al construir estos tanques, los cuales se
diseñan para soportar terremotos y fuertes vientos (Figura 15.7).
Figura 15.7
Construcción de un
tanque de
almacenamiento
de GNL
15.2.3 Transporte del GNL
El GNL se transporta a presión atmosférica en buques especialmente
construidos con casco doble. El sistema de contención de carga se diseña y
construye utilizando materiales especiales para el aislamiento y tanque, para
asegurar el transporte seguro de esta carga criogénica.
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El GNL en los tanques de carga del buque se mantiene a su temperatura de
saturación (-161 °C) a lo largo de toda la navegación, pero se permite que una
pequeña cantidad de vapor se disipe por ebullición, en un proceso que se
denomina "autorrefrigeración". El gas evaporado se utiliza para impulsar los
motores del buque.
Aproximadamente 40% de los buques de GNL actualmente en servicio cuentan
con sistemas de contención de carga del tipo de membrana, de modo que
tienen un aspecto muy similar al de otros cargueros. El resto de los buques
tienen un sistema de contención de carga más particular, que incluye cuatro o
más tanques esféricos grandes. Ambos tipos de sistema de contención poseen
antecedentes de operación extremadamente seguros y confiables (Figura
15.8).
Figura 15.8
Planta de carguío de buques
metaneros

Actualmente se encuentran en servicio más de 120 buques de GNL.

El transporte de GNL por buque tiene antecedentes de seguridad ejemplares.

Límites de capacidad de carga: 19.000 m3 a 138.000 m3

Eslora: 130 m (420 ft) a 300 m (975 ft).

Calados: 6,5 m (12 ft) a 12 m (39 ft).
La flota de buques está desarrollándose rápidamente, con más de 100 buques
pedidos a los astilleros y que entrarán en servicio en los próximos años.
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También están naciendo proyectos alternativos para el transporte de GNL en
pequeñas cantidades, bien sea en camiones o en barcos mucho menores que
los actuales.
15.2.4 Regasificación del GNL
Una vez que el buque-tanque de GNL llega
a la terminal de regasificación en la zona
de mercado, el GNL es bombeado desde la
nave hasta los tanques de almacenamiento.
Los tanques de GNL son similares a los
utilizados en la terminal de licuefacción.
Luego, el GNL vuelve a su estado gaseoso original. Para ello, se bombea
desde los tanques de almacenamiento y es calentado con vaporizadores hasta
las condiciones de entrega especificadas por las empresas de gasoductos y los
usuarios finales, ubicados corriente abajo de la tubería. Posteriormente, el gas
se distribuye a los usuarios mediante un gasoducto convencional.
Otra modalidad de distribución consiste en el transporte de GNL a bordo de
cisternas especialmente diseñadas para su carga, desde las plantas
regasificadoras que reciben el producto de los buques metaneros, hasta
clientes que disponen de depósitos de GNL que están diseñados para
almacenar y regasificar el gas para su uso. Esta es la única modalidad de
transporte de GNL posible para los clientes a los que no llega el gasoducto
convencional.
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15.2.5 Seguridad y riesgos del GNL
La cadena de producción y distribución de GNL está diseñada para evitar fugas
y prevenir incendios. Los riesgos más altos son su baja temperatura
(criogénica) y su combustibilidad. Los derrames de GNL se evaporan
rápidamente donde la condensación del vapor de agua en el aire crea una
neblina. El GNL no se prende fácilmente, la llama no es muy fuerte, no humea
y ésta no se extiende. El combate de un fuego de GNL es muy similar a uno
de gasolina o diesel; no hay peligro de explosión en lugares abiertos.
Debido a que los proyectos de GNL están basados en contratos de compra y
venta a largo plazo, la mayor parte de los riesgos están basados en la
disponibilidad de gas al proyecto, la estabilidad de los países donde se ejecuta
el proyecto y donde se vende el gas y la habilidad del grupo que está
ejecutando el proyecto para entender todas las complejidades de la cadena de
GNL para lograr una rentabilidad que asegure la viabilidad del proyecto durante
toda su vida útil. Las características de un buen proyecto de GNL incluyen:

Bajos costos de infraestructura y producción del gas.

Bajos costos de transporte del gas y otros productos líquidos.

Buena estructura del proyecto y de la compañía establecida para este efecto.

Ambiente fiscal atractivo

Confianza de los compradores en la estabilidad del proyecto

Seguridad de mercado

Índice del precio del gas con cambios de mercado

Proyecto que sea fácilmente financiable
Para apreciar la posibilidad de accidentes en plantas de GNL podemos
mencionar algunos accidentes relacionados con el GNL:
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El 20 de Octubre de 1944 en Cleveland, la compañía East Ohio Natural Gas
tuvo un fallo en un tanque de GNL : 128 personas murieron en la explosión. El
tanque no tenía un muro de retención, había sido construido durante la Segunda
Guerra Mundial en medio de un estricto racionamiento de metal.

En febrero de 1973, en Staten Island – Nueva York, mientras se reparaba el
interior de un tanque de almacenamiento vacío, se desató un incendio. La presión
aumentó dentro del tanque tan rápido que la cúpula cedió, cayendo dentro del
tanque y matando a 37 obreros.

En 1979 en Lusby – Maryland, la instalación de GNL de Cove Point sufrió un
fallo
de una bomba, que liberó vapor de gas, que se infiltró en los conductos
eléctricos;
al cerrar el circuito un trabajador se provocó la ignición de los
gases. El resultado
fue un trabajador muerto y grandes daños en el edificio.

El 19 de enero en Skikda, Argelia se produjo una explosión en la planta de
licuefacción de GNL de Sonatrach. Hubo 27 muertos, 80 heridos, tres trenes de
GNL destruidos y la producción del año 2004 se redujo en un 76%.
15.3
SISTEMA ALTERNATIVO DE DISTRIBUCIÓN: GAS NATURAL
COMPRIMIDO (GNC)
La importancia técnica, económica y ecológica de la disponibilidad de gas natural y la
imposibilidad que los gasoductos lleguen a todos los puntos potenciales de consumo ha
determinado que se desarrolle una tecnología para distribución local del gas natural en
forma comprimida, en containers especialmente diseñados para atender las exigencias
de mercados aparentes, cumpliendo la condición de rentabilidad de tales proyectos de
inversión. El incremento de los precios del petróleo y los combustibles líquidos otorga
particular importancia a este sistema alternativo de transporte, principalmente para las
estaciones de GNV y el sector industrial.
El considerable diferencial de precios entre el gas natural y los combustibles líquidos
determina grandes posibilidades para este tipo de gasoductos virtuales, lo que ha
determinado una fuerte competencia tecnológica y comercial entre compañías
especializadas que han desarrollado y compiten por desarrollar sistemas de acopio,
compresión, transporte, recepción, descompresión y entrega a los usuarios en
condiciones similares o mejores a las que se reciben por los circuitos de distribución por
ductos.
Para apreciar el desarrollo tecnológico y sus aplicaciones en este campo, después de
analizar la información disponible sobre los sistemas más difundidos en América
Latina, consideramos que el sistema NEOGAS ha logrado destacar en este campo y
conseguir mejores resultados en la práctica. Su descripción detallada permitirá conocer
esta tecnología y compararla con las otras existentes.
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15.3.1 La Tecnología NEOgás
En operaciones de entrega al consumidor final, sistemas RCU (Unidad de Reducción
y control de Presión), totalmente automatizados y especialmente desarrollados por
NEOgás, permiten la transferencia del gas natural transportado de forma constante
para baja presión según su requerimiento de consumo. Dispositivos de calor
incorporados permiten que esta transferencia sea efectuada, evitando cualquier tipo
de congelamiento.
Para pequeños consumidores, fue desarrollada por NEOgás una combinación de las
tecnologías de gas Vehicular e Industrial, permitiendo hacer entregas fraccionadas de
cualquier volumen de gas en almacenajes estacionarios del cliente.
La tecnología patentada de NEOgás fue desarrollada para ofrecer las más modernas
soluciones y hacer el transporte y entrega de Gas Natural
Comprimido en alta presión más eficiente, seguro y rápido,
atendiendo áreas sin acceso a la infraestructura convencional de
gasoductos. Esta tecnología está basada en principios
hidráulicos que son usados para realizar grandes transferencias
de gas natural en un tiempo inigualable. Una vez que el gas
natural haya sido comprimido en los cilindros de transporte,
especialmente desarrollados para este fin, no es necesaria
ninguna recomprensión en el grifo de abastecimiento de GNV.
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Esta tecnología hace a NEOgás la única compañía en el mundo capaz de combinar alta
velocidad en la entrega y eficiencia de un mayor aprovechamiento del gas natural
transportado, tornándose altamente rentable en comparación con otros sistemas.
El sistema de Trasvase Hidráulico HPU
A diferencia de los sistemas convencionales de entrega de GNC, NEOgás cuenta con
una tecnología de trasvase del gas natural comprimido por un medio hidráulico a alta
presión, es decir que en ves de re-comprimir el gas natural (como sucede con otras
tecnologías, al perder presión en el tanque de almacena-miento por causa del vaciado de
esta hacia el tanque del vehículo) este gas es trasvasado, es decir empujado por un
fluido hidráulico que es inyectado dentro de los cilindros de almacena-miento, pasando
el gas directamente al surtidor manteniendo siempre la presión de 220bar requerida por
el tanque del automóvil y evitando así la necesidad de un compresor o booster que
demanda una mayor cantidad de energía eléctrica consumida para ser operado y la
instalación de una acometida eléctrica de media tensión (10,000 voltios).
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El HPU (Unidad de Potencia Hidráulica) es el dispositivo encargado de este proceso y
entre las ventajas que tiene sobre el sistema convencional podemos mencionar: un
menor costo de energía ya que consume 30Kw en baja tensión, un menor costo del
equipo, un despacho más rápido del gas (1200m3/hora) y el gas es despachado más frío
por lo que aumenta la autonomía del vehículo que recibe el gas. Otra característica
importante de este sistema es que por medio del HPU podemos utilizar hasta un 97%
del gas contenido en los cilindros de almacenamiento (el 3% es dejado como medida de
seguridad) pudiendo así tener un mayor rendimiento a diferencia del sistema
convencional de re-compresión que solo puede utilizar hasta un 75% de este (por un
tema de presión mínima de succión del compresor).
El sistema de Reducción y Control de Presión RCU
El RCU es un módulo de reducción y control de
presión diseñado especialmente por NEOgás para
optimizar el uso del gas natural comprimido en el
área industrial y comercial.
El RCU se encarga de descomprimir el gas
mediante un conjunto de dispositivos térmicos
(para evitar el congelamiento por el descenso
brusco de presión de 220 a 7 bar) que utilizan el
mismo gas en forma óptima para calentar agua que
al hacerla circular por medio de tuberías, en contra
flujo con la salida del gas permite un descenso de
presión estable y sin congelamiento, totalmente controlado. Este módulo de reducción y
control de presión también nos permite un filtrado de impurezas que pueden haberse
acumulado en los procesos de transporte por la tubería del proveedor de gas o en el
proceso de compresión del mismo, despachándose al cliente un gas limpio y con
temperatura y presión controladas.
Sistema de Transporte NEOgás
En NEOgás contamos con semirremolques ensamblados en nuestras propias fábricas,
con un estricto control de calidad y manteniendo
un alto estándar de seguridad, certificado por las
autoridades respectivas tanto en Brasil como en
China.
Estos semirremolques han sido diseñados de tal
manera que optimicen los volúmenes
transportados, manteniendo los pesos y medidas
de acuerdo a la reglamentación vigente en el
Perú normada por el ministerio de Transportes y
Comunicaciones.
Para cada cliente NEOgás diseña una logística de acuerdo a
los horarios y consumos de éste, de tal manera que el cliente
siempre cuenta con un suministro de gas constante y a la
presión requerida. Esta logística es determinada mediante un
estudio de la operación del cliente y el diseño de un proyecto
individual para cada uno.
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Sistema de almacenamiento estacionario
Nuestra empresa también cuenta con un sistema de almacenamiento estacionario, es decir
módulos o racks de cilindros que pueden ser ubicados en donde sea necesario un despacho
de menor volumen como establecimientos comerciales, restaurantes,
centros de esparcimiento, etc. o en el caso de industrias o estaciones
de servicio alejadas en donde sea necesaria una reserva de gas natural
en el caso de demoras en el
despacho
por
algún
acontecimiento fortuito que
ocasione el retraso del vehículo
de transporte de GNC.
Estos módulos o racks son ensamblados de acuerdo
a los requerimientos de consumo del cliente, desde
pequeños módulos de cilindros verticales hasta
módulos mayores de cilindros horizontales.
Estos módulos son cargados mediante un vehículo de carga llamado “HPU móvil” el
cual cuenta con un HPU
montado sobre el tractocamión,
pudiendo así hacer el trasvase de
gas desde el semirremolque
hacia el módulo estacionario
cualquiera sea el lugar en donde
este módulo se encuentre. La
bomba del HPU es accionada por el mismo motor del tractocamión mientras este se
encuentra estacionado en el lugar de despacho.
La incorporación de la tecnología de almacenamiento de GNC por adsorción,
incorporando a los tanques membranas de carbón activado microporosas que permiten
que se produzca la condensación parcial del gas (cambio de fase). La parcial presencia
de líquido en el tanque increentará considerableente la capacidad de almacenamiento en
los mismos tanques o almacenar la misma masa de gas natural a menores presiones.
Proceso físico de adsorción
Esta tecnología ha sido comprobada y se aplica exitosamente en tanques de GNV en
automotores, pero su aplicación a tanques (containers) de gasoductos virtuales tendrá
que ser analizada como proyecto de investigación aplicada.
15.4 GAS NATURAL ALTERNATIVO (GNA) PARA SUSTITUCIÓN DEL
GAS NATURAL EN EMERGENCIAS (BACK UP)
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La disponibilidad de gas natural representa una gran ventaja para plantas
industriales, pero puede interrumpirse por distintas razones vinculadas con
mantenimiento programado, accidentes, sabotaje y fallas en los gasoductos y/o
sistemas de distribución.
Para prevenir tales posibilidades se instala sistemas de suministro de un combustible
alterno formado por GLP vaporizado y aire comprimido, conformados por sistemas
de control de las condiciones de alimentación, mezcla y suministro a planta
altamente sofisticados, totalmente automatizados y de alto costo, que aseguran la
sustitución del gas natural sin variaciones en las operaciones y procesos de
combustión.
Al haber comprobado que tales sistemas no funcionan correctamente en la práctica,
hemos establecido las 3 causas principales de sus problemas:
Para lograr mayores beneficios comerciales se incorporan mas parámetros de
los necesarios, instalando verdaderos cerebros electrónicos para regular
sistemas que en la práctica resultan relativamente simples, lo cual termina
complicando su funcionamiento y producción.
Al igualar los Indices de Wobbe del Gas Natural y la mezcla combustible
(aire propanado) hacen ambos combustibles intercambiables pero no
similares; esto significa que ambos pueden ser utilizados en las mismas
instalaciones pero efectuando los ajustes de presión y flujo que resulten
necesarios para aportar a los procesos el mismo suministro térmico (Figura
15.9).
La cinética de la combustión puede resultar igualmente eficiente pero
diferente, lo que obliga a un manejo también diferente de la mecánica de
fluidos para la mezcla y las condiciones de transferencia de calor a los
procesos.
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LIBRO DE GAS NATURAL
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Figura 15.9
Representación gráfica de Delbourg
Basados en estas experiencias hemos concebido, diseñado e implementado el
Sistema de GAS NATURAL ALTERNATIVO (GNA) que resultando
adecuadamente simple para efectuar una mezcla efectiva y homogénea de GLP y
aire comprimido, resulta apropiadamente económico para constituir un sistema
de emergencia. Sin pretender que el GNA sustituirá correctamente al gas natural
en las instalaciones industriales, no podemos estandarizar el diseño, por lo cual
lo efectuamos específicamente para cada instalación.
Para asegurar que en la práctica, la planta pueda operar con los mismos niveles
de producción y eficiencia alcanzados con gas natural, definimos las particulares
características de empleo para cada instalación, involucrando en el análisis de su
adecuación al personal responsable de su funcionamiento, proporcionándoles la
capacitación y el entrenamiento suficientes y adecuados para poner en servicio,
regular y operar el sistema GNA.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA GNA
La concepción general del sistema GNA consiste en el suministro de flujos de
características definidas de GLP y aire comprimido a un mezclador estático de
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diseño adecuado para asegurar una mezcla homogenea y estable. El GNA producido
se almacena en un tanque pulmón que cumpliendo la función del sistema de
distribución de GN, garantiza el suministro de combustible a una presión definida y
adecuada para cada planta individual. En el siguiente gráfico se muestra el
Diagrama Esquemático de un proyecto individual; los planos definitivos deben
elaborarse en planta con participación directa y comprometida del personal de
Operaciones y Mantenimiento.
La filosofía de control para efectuar la mezcla resulta simple pero efectiva y
adecuada, tomando como parámetro básico para asegurar la calidad de la mezcla la
densidad y regulando el suministro del GNA requerido en planta mediante la
compensación de la presión en el Tanque Pulmón.
Considerando que el aire y el gas natural son constantes y el GLP variable, el flujo
de gas natural que debe ser reemplazado permite fijar un flujo equivalente en
unidades energéticas de GLP, variando su proporción de mezcla con el aire
comprimido para mantener constante su Indice de Wobbe, mediante un sistema de
dosificación de flujos con válvulas de gas de control electrónico de flujo y
proporción de posicionamiento paralelo, manejadas por la señal de un presostato
ubicado en el tanque pulmón y la medición de densidad proveniente del medidor de
flujo másico.
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Válvulas de gas de control electrónico
de flujo y proporción de
posicionamiento paralelo
El Sistema GNA se diseña y estructura específicamente para cada planta industrial y
se divide en 3 subsistemas complementarios que se deben manejar como
componentes individuales: Suministro de los componentes (GLP y aire comprimido)
en las condiciones establecidas, Mezcla y producción de GNA y el Circuito de
distribución y consumo de GNA en planta.
Para registrar la producción de GNA y remitir la señal de densidad al sistema de
control, se utilizará un medidor de flujo másico de tamaño y características
adecuadas.
Medidor de flujo másico y Transmisor de señal MICRO MOTION
Para implementar el Sistema GNA que le permita a cualquier planta industrial tener
la seguridad de poder mantener sus condiciones de producción y eficiencia en las
Operaciones y Procesos vinculadas con la combustión del Gas Natural utilizado,
Combustión y Ecología S.A.C. tendrá que efectuar las siguientes acciones:
Implementar las instalaciones para suministrar GLP y aire comprimido a la
planta de mezcla y producción de GNA.
Diseñar la Planta de Mezcla y Producción de GNA con las características de
ubicación, dimensionamiento y capacidad específicamente adecuadas para
sustitución de los volúmenes normalmente utilizados de Gas Natural.
Definir los procedimientos de ajuste de variables operativas para regulación de
procesos de combustión con GNA, desarrollando para este propósito una
evaluación integral de las características de diseño y condiciones actuales de
operación de todos los sistemas de combustión en planta.
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Al constituir un sistema diseñado específicamente para cada planta industrial, el sistema
GNA permite garantizar los mejores resultados técnicos con costos significativamente
menores de inversión que otros sistemas más sofisticados y diseños aplicables para
cualquier instalación.
15.5
CRITERIOS DE APLICACIÓN DE SISTEMAS DE TRANSPORTE
DISTRIBUCIÓN Y SUMINISTRO DE GAS NATURAL
Siendo el gas natural el combustible del siglo XXI debido a sus notables ventajas
técnicas, económicas y ecológicas respecto a cualquier otro combustible, resultará
conveniente para todos los sectores disponer de este maná del cielo que todavía algunos
países insisten en exportarlo por ignorancia y/o corrupción de sus gobernantes. El Gas
Natural es un recurso invalorable y una herramienta fundamental de desarrollo.
Resultará necesario establecer la situación actual del desarrollo tecnológico de los
sistemas utilizados para ponerlo al alcance del los mercados de consumo. Basados en el
nivel actual de las tecnologías en este campo, experiencias vividas en la mayoría de
países latinoamericanos y el conocimiento de la realidad en el campo energético
mundial, asumimos los criterios convenientes y adecuados para cada una de las etapas
consideradas:
15.5.1 Transporte
Siempre resulta justificado
construir un gasoducto para
Impulsar el desarrollo
El gas natural, con todas sus ventajas y posibilidades, genera su propio mercado de
consumo, por lo que existiendo condiciones mínimas de desarrollo potencial, siempre
resultará justificado la construcción de gasoductos. En todos los países latinoamericanos
ha quedado demostrado que la dinamización de la economía que genera la
disponibilidad de gas natural en todos los sectores de centros poblados, genera mayores
ingresos anuales después del quinto año de su puesta en servicio que el costo que
involucra todo el proyecto.
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Aunque existen gasoductos de gran extensión, como los que abastecen a la Unión
Europea desde Asia y Africa, el desarrollo de la tecnología para licuefacción,
almacenamiento y transporte del gas natural actualmente permite considerar la
conveniencia de su aplicación por encima de 3.000 kilómetros de recorrido, pudiendo
disminuir esta distancia, en razón de las
dificultades del terreno.
GNL
Tecnología para grandes volúmenes,
extensas distancias y mucha
corrupción
15.5.2 Distribución
El tendido de redes de distribución del gas natural por tuberías siempre debe justificarse
por mercados de consumo que determinen la rentabilidad de proyectos de suministro, lo
cual puede y debe manejarse con el criterio de masificación del consumo en cada uno de
los sectores.
Masificación del Uso del Gas Natural
Industrialización y Desarrollo Integral
La utilización de gasoductos virtuales (GNC) representa un complemento indispensable
para los planes de masificación del consumo de gas natural, por las siguientes razones:
Abastecer puntos de demanda alejados del gasoducto, económicamente viables o
socialmente justificables.
Formación de cadenas y anillos de circulación vial con suministro de gas
natural.
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Desarrollar nuevos mercados para justificar la construcción de gasoductos.
El desarrollo de gasoductos virtuales cada vez más eficientes y el aumento del
diferencial existente entre gas natural y combustible líquidos, para mercados medianos
ya justifica el suministro en radios que alcanzan hasta mil kilómetros.
Gasoductos virtuales: Importantes para cerrar
cadenas y anillos nacionales y regionales de GNV
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