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“La minería construye sueños”
PERUMIN – 31 CONVENCIÓN MINERA
ENCUENTRO DE TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN
OPTIMIZACIÓN
DEL
DISEÑO
Y
FUNCIONAMIENTO
DE
MAQUINAS
TÉRMICAS
PARA
OPERACIONES
MINERAS EN ALTURA
Ing. Percy Castillo Neira
Experto Internacional en Combustión y Procesos
Industriales
Gerente de Combustión y Ecología S.A.C.
Director del Instituto Latinoamericano de la
Combustión
Miembro del Consejo Técnico Consultivo de la
Región Arequipa
Resumen
Las Empresas Mineras, generalmente ubicadas en
altura, pierden millones de dólares al año operando
en forma ineficiente diferentes máquinas térmicas
en sus operaciones de exploración, extracción,
producción y tratamientos metalúrgicos, bajo la
suposición de que no resulta posible alcanzar
rendimientos y niveles de eficiencia similares a los
que se consiguen en la costa y condiciones
atmosféricas normales.
Durante los últimos 20 años, a través de
investigación científica, desarrollo académico y
trabajo de planta, hemos logrado desarrollar la
tecnología adecuada para asegurar similares
condiciones de potencia, eficiencia y rendimiento
en cualquier de los equipos utilizados en las
operaciones mineras que desarrollan sus
actividades en altura.
En este trabajo sustentamos los fundamentos
termodinámicos, analizamos los criterios de
aplicación y mostramos las numerosas experiencia
de aplicación que proporcionan a la minería nuevas
posibilidades de optimización de costos, mayor
competitividad y mejores posibilidades de cumplir
las exigencias de control de emisiones al ambiente.
Abstract
The mining companies, generally located in height,
lost millions of dollar a year in operating inefficiently
different thermal machines in operations of
exploration, extraction, production and metallurgical
treatments, under the assumption that it is not
possible to achieve the performance and efficiency
levels similar to those are achieved on the coast
and
normal
weather
conditions.
During the last 20 years through scientific research,
academic and work plant, we have developed the
technology to ensure similar conditions of power,
efficiency and performance in any of the equipment
used in mining operations that are active in
activities
in
height
Is this work we sustain thermodynamic
fundamentals, we analyze the application criteria
and show the many application experience that
provide new possibilities, mining cost, optimization,
improved competitiveness and better possibilities to
reach the requirements of the environment control
emissions.
“La minería construye sueños”
1.1 Caracterización del Aire Atmosférico como
comburente
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.
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 :
(77% en peso)
Oxígeno :
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.
79% en volumen
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 :
“La minería construye sueños”
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 que después detallaremos. De aquí el
llamado “exceso de aire sobre el teórico
necesario”.
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.
1.2 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.
En la Figura 1 se muestra la curva de variación de
presión atmosférica con la altura.
Figura 1
Variación de la presión atmosférica con la
altura
“La minería construye sueños”
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
En la Figura 2 se muestra la corrección del
volumen del aire con la altura a diferentes
temperaturas.
Figura 2
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:
A
0 ºC
 A 100 ºC
 A 200 ºC
 A 300 ºC
 A 500 ºC
 A 1000 ºC
1.3
: 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
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 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
3
será de 890 Kcal/m N; 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 3.
“La minería construye sueños”
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:
Figura 3
1.4.1 Aire primario
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.
1-4
LA FUNCIÓN MECÁNICA DEL AIRE EN LA
COMBUSTIÓN
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.
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.
Figura 4
Ingreso de aire primario al quemador Pitojet de
KHD
“La minería construye sueños”
 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
2
Impulso Total en Kg-m/seg (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.

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)
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 (Fuerza Rotacional)
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.
1.4.2 Aire de atomización
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.
Figura 4.10
Quemador Hauck
4.1.3 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..
4.1.4 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.
“La minería construye sueños”
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)
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 (Figura 5)
También para eliminación de cenizas el transporte
neumático representa una solución práctica y
ecológica (Figura 5).
Figura 5
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.
4.1.5 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.
Figura 5
Ventiladores, sopladores y 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.
La presión estática en la descarga define la
nominación del equipo utilizado:
“La minería construye sueños”

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.
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 6) .
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.
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 .
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 =

Velocidad
Q=
Caudal
D=
Diámetro
d=
Densidad del fluido
H=
Presión estática
P=
Potencia del motor
La Ley 1-2-3
Para el mismo ventilador, manipulando el
mismo gas (D y d constantes) , N variables:
1
Q es proporcional a la velocidad, N
H es proporcional a la velocidad al
2
cuadrado, H
3
P es proporcional a la Potencia al cubo, P

La Ley de Densidad
Para el mismo ventilador, operando a la
misma
velocidad,
manipulando
gases
diferentes (D y N constantes, d variable):
Figura 6
Curvas típicas de diseño de ventiladores
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 minería construye sueños”

La Ley de Similaridad
2.1
Influencia de la altura sobre la Operación
de Calderos Pirotubulares
Ventiladores similares operando a la misma
velocidad, manipulando el mismo gas ( d y
DN son constantes):
2
Q s proporcional a D
H ( en unidades de presión) es la misma
P es proporcional a D
2
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.
2.
COMBUSTIÓN EN ALTURA
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.
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 y 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 temperatura 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..
“La minería construye sueños”

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.
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.
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.
2.3
2.2
Influencia de la altura sobre la Operación
de Calderos Acuotubulares
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.
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.
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 7). 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.
Figura 7
Quemador de
atomización y
formación de llama
con aire a baja
presión, inadecuado
para operar en altura.
“La minería construye sueños”
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.
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.
2.4 Influencia de la altura sobre la Operación de
Motores Endotérmicos
Como un ejemplo, a 2350 metros de atura, el
contenido másico del aire atmosférico será de 235
3
gr/m , para disponer de un comburente normal, se
tendría que adicionar la msa de oxígeno necesario
para tener una mezcla con 23/ en masa.

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.
2.5
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 8 se muestran los sistemas que se
emplean con oxigeno.
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
combustión
general
del
aire
de
Figura 8
“La minería construye sueños”
3.
CONCLUSIONES
3.1
Aplicando la tecnología adecuada, no existe
justificación para que los proveedores
pretendan justificar menores potencias y
eficiencias en máquinas térmicas cuando
operan por encima de 1000 m.s.n.m.
3.2
La implementación de proyectos de
optimización de la combustión y el
rendimiento de máquinas térmicas en altura,
representa una inversión de alta rentabilidad
para las empresas mineras.
3.3
Para conseguir y mantener la optimización de
la combustión y el rendimiento de máquinas
térmicas en altura, resulta prioritario capacitar
al personal de planta en esta nueva
tecnología y la eficiente gestión energética
en altura.
Referencias
Todos los libros y artículos técnicos publicados en
la web “www.combustionindustrial.com
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
“La minería construye sueños”