10a. Generdores de vapor

GENERADORES DE VAPOR.

04/12/23 Reconfiguración de la Refinería de Minatitlán 2

INTRODUCCION

• La caldera de vapor es una de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderetas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.

• En un mundo en continuo crecimiento, en donde la demanda de energía crece día a día, la generación de vapor como medio de transferencia energética, crece en importancia para aplicaciones tales como generación eléctrica, procesos industriales de manufactura y calefacción.


OBJETIVO INSTRUCCIONAL

• Identificar los diferentes tipos de generadores de vapor, las partes que los constituyen, así como también los combustibles utilizados en la generación de vapor.

• Describir el funcionamiento del generador de vapor así como de cada una de sus partes.

• Enunciar los conceptos básicos sobre combustión.


AGUA PARA LA ALIMENTACIÓN DE CALDERAS.

La calidad del vapor generado dependerá de la calidad del agua, por lo que se hace necesario que el agua con la cual se alimente la caldera sea libre de toda impureza para garantizar una alta eficiencia térmica, disminuyendo consumo de combustible y por lo tanto gastos operativos y de mantenimiento.

Un agua que no fue tratada adecuadamente, puede generar una concentración de sólidos dentro de la caldera aumentando los niveles de sólidos o incrustaciones, lo cual disminuye la eficiencia de transferencia de energía.

La presión del vapor determina la temperatura y la capacidad energética, pero también la calidad del agua de alimentación.



• La regla general expone que cuanto más alta sea la presión, más estricta deberá ser la calidad del agua de alimentación de la caldera. El agua perfecta para alimentar calderas es aquella que no deposite sustancias incrustantes, no corroa el metal de las calderas o sus accesorios y no ocasione arrastres ni espuma.

• Agua de estas características es difícil de obtener excepto mediante purificación artificial, con la cual las impurezas capaces de originar incrustaciones, corrosión y otros efectos indeseables, se eliminan o cambian a productos menos perjudiciales.



•Algunos problemas causados por las impurezas en el agua de alimentación son:

– Incrustación.

– Corrosión.

– Priming (formación de burbujas de aire).

– Adherencia del vapor al cilindro (de minerales volátiles).


COMBUSTIÓN

Fundamentos básicos de la combustión.• Básicamente se define como combustión al proceso de

quemado de un determinado combustible. Desde el punto de vista químico se refiere a la reacción química de la oxidación de un combustible en presencia de oxígeno, resultando de ésta una fuerte liberación de calor y en la gran mayoría de los casos radiación luminosa. Esta reacción se auto-sustenta a partir de cierta temperatura.

• Para que dé comienzo una combustión, se le deberá suministrar a la mezcla aire-combustible, energía proveniente de una fuente externa, de manera tal que eleve la temperatura en algún punto de su masa por encima de un determinado valor. A este valor se le denomina temperatura de inflamación.


Fundamentos básicos de combustión.

•La mayoría de los combustibles utilizados en la industria, están compuestos fundamentalmente por carbón, hidrógeno y pequeñas cantidades de azufre. Como resultado de la combustión de estos tres elementos básicos se obtienen lo siguiente.

– El oxígeno del aire como comburente (aprox. 1m3/KWh).

– El carbono e hidrógeno del combustible.– Otros elementos (azufre) e inertes (cenizas).



• Cuando la combustión se realiza en laboratorio utilizando proporciones exactas de mezcla combustible/oxígeno, obtenemos como productos de la combustión solamente dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre (si hay azufre presente).

•En este tipo de ensayo de laboratorio se obtiene lo que llamaremos: combustión perfecta o estequiométrica.

•La combustión completa denominada estequiométrica es cuando todo el carbono se oxida en CO2:



•La máxima temperatura de flama para un determinado combustible se obtiene mediante una combustión perfecta.

•Si utilizamos más oxígeno del requerido para una combustión perfecta, este exceso no reaccionará en la combustión, reduciendo por lo tanto la temperatura de flama, y en consecuencia este exceso aparecerá como producto final de la combustión.

•En cambio, si la combustión se realiza con menor porcentaje de oxígeno de lo necesario, aparecerán como productos de la combustión, sumados a los nombrados anteriormente: monóxido de carbono (CO), hidrógeno gaseoso (H2), compuestos hidrocarburos (CXHY), sulfhídrico (H2S) y carbón (C). Estos compuestos son el resultado de una combustión imperfecta e incompleta y producen contaminación ambiental.


Combustibles.

•Los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos, sus propiedades más importantes son:

– Potencia o poder calorífico: superior e inferior.– Límites de inflamabilidad: porcentajes de combustible y

aire en la mezcla a presión y temperatura para que sea de forma autosostenida.

– Velocidad de propagación de la flama: en un frente gaseoso.

– Temperatura de ignición; punto de inflamación (combustibles líquidos): Temperatura a la cual la velocidad de combustión es lo suficientemente elevada para que la combustión se propague.

– Índice de Wobbe; (combustibles gaseosos): Es el cociente entre el PCS y la raíz cuadrada de la densidad relativa respecto del aire (MJ/m).


Combustibles.

•Las calderas que queman combustibles líquidos y/o gaseosos generalmente trabajan con presiones dentro del hogar por encima de la atmosférica. Poseen un ventilador de tiro forzado que inyecta aire a los quemadores. A este tipo de circuito aire-gases se le denomina de hogar presurizado.

•En cambio, en las calderas que queman combustibles sólidos, las presiones dentro del hogar se encuentran por lo general por debajo de la atmosférica. Poseen un ventilador de tiro forzado que inyecta aire a los quemadores y otro de tiro forzado, antes de la chimenea, que es el responsable de producir la presión sub-atmosférica dentro del hogar. A este tipo de circuito aire-gases se le denomina de tiro balanceado.


Combustibles.

•Quemado de combustibles gaseosos.

•Los combustibles gaseosos más utilizados incluyen gas natural, gas de alto horno, gas de refinería, butano, propano, etc.

•Estos combustibles son fáciles de quemar pues ya se encuentran vaporizados y sólo requieren ser mezclados con el aire en las proporciones adecuadas.

•El quemado de estos combustibles no produce tanto ensuciamiento de las superficies térmicas como el caso del quemado de líquidos o sólidos.


Combustibles.

•Quemado de combustibles líquidos.•Los combustibles líquidos más utilizados son el fuel oil, gas oil, diesel oil, alquitrán, etc. Estos combustibles deben ser atomizados.

•El fuel oil N° 6 es el más utilizado entre los combustibles líquidos. Pero éste, a la temperatura ambiente, se hace demasiado viscoso para ser bombeado y transportado por tubería. Por tal motivo se debe calentar y filtrar previo al quemado. Las pastillas de atomización para el quemado de estos combustibles se diseñan en base a un rango preestablecido de viscosidad.

•Las cenizas de los combustibles fósiles pueden contener azufre, trazas de metal como son níquel, sodio y vanadio. El contenido de estos elementos no debe tomarse a la ligera, pues son potenciales causantes del ensuciamiento, depósitos y problemas de corrosión de los tubos.


Combustibles.

•Quemado de combustibles sólidos.•Algunos de los combustibles sólidos más utilizados son: carbón, turba, madera, girasol, bagazo, desperdicios, etc. Los combustibles sólidos necesitan mayores tiempos y espacios para que se desarrolle la combustión completamente.

•Esta es una de las razones principales de la desmedida proporción en el volumen del hogar, para aquellas calderas que queman sólidos, si lo comparamos con aquellas de la misma producción pero para combustibles líquidos o gaseosos.

•Existen quemadores especialmente diseñados para quemar carbón finamente pulverizado en suspensión con aire, pero para ello se debe previamente preparar el combustible, pulverizándolo externamente con maquinaria pesada.


Exceso de aire.

•Si se pretende que la combustión sea completa (combustión perfecta), hemos de tener en cuenta que cada molécula de combustible se combine con su correspondiente de aire.

•Es obvio que esto no puede realizarse dentro de un equipo térmico real. Pero si a las moléculas de combustible le ofrecemos un excedente en aire, aumentaremos la probabilidad de que se combinen todas las moléculas de dicho combustible. También se hace evidente que este excedente de aire no formará parte de la reacción. A esta cantidad de aire por encima de la teórica se la denomina exceso de aire.

•Asimismo este exceso, a pesar de atentar contra el rendimiento de la caldera (ya que es una masa que absorbe calor y disminuye la temperatura final y el nivel energético), es de vital importancia en lo que a seguridad se refiere. Se hace indispensable contar con un aumento de éste durante los períodos transitorios debido a variaciones del estado de carga.


Exceso de aire.


Exceso de aire.

• Para obtener una combustión completa se requiere un exceso de aire, que depende de: el combustible, y de la homogeneidad de la mezcla combustible-comburente que se consiga en el quemador.

• El exceso de aire empleado se deduce del contenido de CO2

en los humos y puede ser por medio de por fórmula o

gráfica.

%100.

..x

esteqAire

esteqAiresumAireairedeExceso


Exceso de aire contra óxidos de nitrógeno

•Para obtener los máximos rendimientos posibles de una caldera, se han introducido modificaciones en el diseño del hogar y de sus quemadores, de manera tal que trabajaran con excesos de aire muy reducidos, logrando consecuentemente altas temperaturas de flama. Pero a estas temperaturas, el oxígeno excedente se combina con el nitrógeno proveniente del aire y/o del combustible dando lugar a la formación de grandes cantidades de monóxido de nitrógeno (NO).

•La oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) a dióxido de nitrógeno (NO2), sólo representa al 10% del total de NOX producido. Ambos son considerados contaminantes ambientales. La formación del NO tiene lugar a altos estados de carga, cuando se presentan dos condiciones simultáneamente: alta temperatura y exceso de aire.

•Los métodos de reducción de NOX se basan fundamentalmente en controlar la combustión de tal manera que estas dos últimas condiciones no se presenten simultáneamente.


Uso de aire contra CO

Parece obvio que se debería limitar al mínimo el exceso de aire, pero al disminuir éste, comenzará a aparecer monóxido de carbono (CO), indicación de una combustión incompleta.

Además del aspecto contaminante del CO, está la relación con el rendimiento de la combustión, pero en la práctica no es técnicamente posible operar un quemador con 0% de CO en los gases de combustión.

Las relaciones pueden resumirse en dos:

1. A menor exceso de aire, mayor producción de CO y viceversa.

2. A mayor volumen de hogar (mayor distancia entre llama y tubos de agua), menor producción de CO y viceversa.


Energía o Calor Disponible.

De lo anterior se deduce que mientras mejor aprovechemos la energía disponible de la combustión, menor será la cantidad de combustible necesario para obtenerla. De aquí que mientras más exceso de aire se introduzca (o menor temperatura del mismo) menor será la energía que se podrá obtener.

Efecto del Exceso de aire en la Temperatura de los Gases de Combustión

0

250

500

750

1.000

1.250

1.500

1.750

2.000

2.250

2.500

2.750

3.000

3.250

3.500

3.750

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400

% de Exceso de Aire


Energía o Calor Disponible.

• El fenómeno de la influencia del exceso de aire en la temperatura de los productos de la combustión nos introduce al concepto de energía disponible.

• La energía disponible se mide como el calor obtenido de la combustión perfecta de un combustible.

• Si mezclamos un combustible con la cantidad precisa de aire en una cámara cerrada donde recolectamos el calor obtenido y lo medimos, la cantidad de calor recolectado es la energía disponible y esta se relaciona con la temperatura de los productos de la combustión. Por ejemplo 1 pie3 de Metano quemado con la proporción perfecta de aire genera, 1010 Btu (9.005 kcal) de energía, si los gases de combustión son enfriados hasta 60 ºF (15,6 ºC). Este mismo pie3, genera 911 Btu (8.110 kcal) de energía, si enfriamos los gases de combustión hasta 220 ºF (105 ºC). El primer valor de energía se le conoce como poder calorífico superior, al segundo valor como poder calorífico inferior.


Poder calorífico superior e inferior

• La cantidad de calor neto generado, producto de una combustión completa para un combustible determinado es constante y se le denomina poder calorífico.

• El poder calorífico se expresa en kcal/kg para combustibles sólidos y líquidos o en kcal/m3 para combustibles gaseosos.

• Al calor de la combustión que libera un determinado combustible que tiene en cuenta al calor latente de vaporización, se le denomina poder calorífico superior.


Poder calorífico superior e inferior

• Los productos de la combustión nunca se enfrían hasta la temperatura de condensación del vapor de agua, sino por lo contrario, se procura evitar toda condensación, debido a las propiedades corrosivas de la combinación del H2O, SO2 y SO3 productos de los gases de combustión.

• Estos al combinarse forman ácido sulfúrico (H2SO4), que se deposita sobre la superficie de los equipos provocando la corrosión de éstos. A esta temperatura límite de condensación del vapor de agua la llamaremos temperatura de rocío.

• Al calor de la combustión que libera un determinado combustible que no tiene en cuenta el calor latente de vaporización se le denomina poder calorífico inferior.


Temperatura de los gases de combustión vs % de azufre.

0 1 2 3 450

75

100

125

150

175

200

% de Azufre en el combustible

Temp.° C

Punto de roció de los gases de combustión

Temperatura mínima del metal para evitar la

corrosión


PROPIEDADES FÍSICAS DEL VAPOR.

Volumen específico y Densidad.• El volumen específico es la relación entre el volumen

que ocupa un determinado fluido con el peso del mismo. Se expresa en m3/kg.

• La densidad es el inverso del volumen específico y se expresa en kg/m3.

Entalpía del líquido.• La cantidad de calor necesario para llevar el agua desde

su temperatura inicial de referencia (0°C) hasta su temperatura de ebullición se conoce como la entalpía del líquido y está expresado en kcal/kg.



Temperatura de saturación.• Cuando el agua entra en ebullición, agua y vapor poseen la

misma temperatura. A esta temperatura se la conoce como: temperatura de saturación. Para cada presión de ebullición sólo existe una temperatura de saturación y viceversa.

Entalpía de evaporación.• La cantidad de calor necesario para llevar toda la masa de

líquido a estado de vapor se conoce como la entalpía de evaporación, está expresado en kcal/kg y su valor depende de la presión.



Entalpía del vapor saturado.• Es la cantidad total de calor que se debe suministrar a un

kilogramo masa de agua desde la temperatura de referencia (0°C) para transformarlo totalmente en vapor, está expresada en kcal/kg.

Vapor sobrecalentado.• En tanto el vapor y el agua estén en contacto, sus

temperaturas se mantendrán iguales. Si se logra separar el vapor del agua y se continúa suministrando calor al primero, se llega a lo que se conoce como vapor sobrecalentado.


PROPIEDADES FÍSICAS DEL VAPOR.Entalpía del vapor sobrecalentado.• Se define como la cantidad de calor necesario para convertir 1

kilogramo masa de agua a 0°C en vapor sobrecalentado a una presión y temperatura determinada, estará expresada en kcal/kg. Esta entalpía como así también su temperatura irá en aumento según se siga suministrando calor.

Punto crítico.• A medida que se aumenta la presión llegaremos a un punto en el

cual el agua cambia de estado sin entrar en ebullición. A este punto se lo conoce como punto crítico y se encuentra a 374°C a una presión de 225 kg/cm2 Abs.

Tablas de vapor.• Debido a que las propiedades del vapor y el agua están definitivamente

fijadas por la naturaleza, éstas pueden ser medidas y tabuladas. A esta documentación se la conoce más comúnmente por "Tablas de vapor de agua". Allí se encuentran los datos de: volumen específico, entalpía, entropía y viscosidad, todas estas variables en función de la temperatura y la presión.


Deareadores.

•Los gases presentes en la atmósfera tienen la particularidad de disolverse en el agua a temperatura ambiente o menor que esta, a la presión atmosférica.

•Al incrementarse la temperatura del agua, los gases disueltos pierden solubilidad de tal forma que cuando el agua alcanza el punto de ebullición los gases se vuelven totalmente insolubles y son eliminados hacia la atmósfera utilizando para ello a los deareadores.

•La deareación remueve los gases corrosivos tales como oxígeno y bióxido de carbono libre del agua de alimentación de calderas, por medio del calentamiento del agua a la temperatura del vapor saturado a la presión mantenida dentro del deareador, conjuntamente con una vigorosa acción de mezcla de agua con el vapor, de manera que hasta las ultimas trazas de gases no condensables son removidas.


Tipos de deareadores.

•Deareador tipo charolas.•En este tipo de deareador el agua se calienta goteando sobre una serie de charolas superpuestas y en una atmósfera de vapor. Estos deareadores están disponibles en diferentes diseños entre los que se encuentran los de flujo a contracorriente, flujo cruzado y flujo paralelo.

•En los tipos a contracorriente como su nombre lo indica, el flujo de agua y vapor son opuestos a través de las charolas.

•En este caso, el vapor fluye hacia arriba poniéndose en contacto con el agua que desciende a través de las charolas.



•Deareador tipo charolas y aspersión.

Venteo

Aspersor de entrada de agua

Sección de charolas

Acumulador

Entrada de vapor

A bomba de alimentación de calderas

Venteo

Entrada de agua

Aspersor de calentamientoAspersor de

calentamiento

Entrada de vapor

Recalentador y sección de aspersores

A bomba de alimentación de calderas



•Deareador rociador .

succión de

bombas

dren

psvVapor de baja

Agua de repuesto

Alarma de alto nivel

Alarma de alto nivel

Control de nivel

Derrame por alto nivel

Válvulas rociadoras

incondensables

condensado

Vapor con incondensable

Agua precalentada

Scrubber

condensado


GENERADORES DE VAPOR Y CLASIFICACIÓN.

• En sus primeras versiones, este equipo térmico (calderas) consistía en un recipiente con una entrada de alimentación de agua y una salida de vapor, todo esto montado dentro de un recinto delimitado por ladrillos refractarios llamado hogar. El combustible se quemaba sobre una grilla ubicada dentro del hogar de manera tal que el calor liberado incidía directamente sobre la superficie inferior del recipiente, transfiriendo su carga térmica a la masa de agua dentro del mismo. Los gases de combustión salían por una chimenea.

• Los diseñadores pronto notaron que era notablemente ineficiente calentar un único recipiente de agua. Consecuentemente, fraccionando aquella masa de agua en pequeñas partes, se lograría un contacto más íntimo con el calor. De este modo comenzaron a aparecer dos grandes grupos de calderas: pirotubulares y acuotubulares.


GENERADORES DE VAPOR Y CLASIFICACIÓN.

La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:

– Economizadores y chimeneas.– Sobrecalentadores y recalentadores.– Quemadores y alimentadores de aire.– Condensadores.– Bombas y tanques de alimentación.– Domos.

En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados.


Calderas pirotubulares.

•Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunque las hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm).

•En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua.

•Las calderas pirotubulares generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego ) limitado por superficies enfriadas por agua, en la actualidad, las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones de calefacción de baja presión y algunos tipos mas grandes para producir vapor a presión relativamente baja destinados a calefacción y a producción de energía.



quemador

Tubo de fuego

Cámara de humo

Cámara de agua

Salida de vapor

Cámara de vapor

Entrada hombre

Válvula de seguridad

Indicador de nivel y

manómetro

Ventilador

Bomba de combustible

Espiral de aire

Salida hacia la chimenea

Tubos de humo

Toma de vapor

Cuerpo cilíndrico revestido de

aislante



Salida de vapor

tubos

gases

chimenea

Placa tubular delantera

quemador

ventiladorEntrada de

agua

Placa tubular trasera

Camarade

retornoNivel de agua

Hogar


Calderas acuotubulares.

• Por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos, las calderas acuotubulares son empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en los pirotubos.

• Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de combustión.

• La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El agua en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua:



Domo inferior

chim

ene

a

Cal

ent

ado

r d

e ai

re

eco

nom

iza

dor

Bomba de agua

Domo superior

QuemadoresHaz

convectivohogar

Tubos pantalla

Salida de vapor

sobrecalentador

Conducto de aire caliente

Ventilador tiro forzado

Ventilador tiro

inducido

Techo/paredesPiso/frente de tubos de agua



Cuerpo cilindrico

Salida de vapor

Toma de vapor

Válvula de seguridad

Indicador de nivel Entrada

hombre

hogar

Tabiques deflectores

colectores

Salida hacia la chimenea



aguaagua-vapor (vapor humedo)

vapor recalentado

Entrada de combustibles

ventiladorCalentador de aire

economizador

Evaporador residual

recalentador

Salida de vapor

quemadorBomba de aguaCamara de combustión

Caldera tipo Benson



Componentes de las calderas acuotubulares.1. Domo superior.El domo superior cumple con la función de proveer el espacio físico para:

– Producir la separación de fase entre la mezcla agua y vapor.

– Alojar todos los elementos de separación necesarios (separadores ciclónicos, separadores primarios, secundarios, etc.) a fin de garantizar la correcta separación de las partículas de agua y sólidos en suspensión de la corriente de vapor.

– Calentamiento del agua de alimentación.– Mezclar el agua de caldera con productos químicos.– Efectuar el purgado del agua de caldera.– Tener un vínculo de anclaje mecánico para todos los tubos

que ingresan a él.


Componentes de las calderas acuotubulares.

2. Haz convectivo.El haz convectivo es el sector en donde se lleva a cabo gran parte de la transformación de agua en vapor.

Esto implica que la temperatura de la mezcla agua/vapor que circula dentro de sus tubos, es la correspondiente a la de saturación a la presión del domo. En esta sección, la forma de transferencia de calor que predomina es la convección, pues los gases transfieren su calor progresivamente por convección en la medida que atraviesan las sucesivas filas de tubos.

•Para aquellas calderas provistas de sobrecalentador, es común que este último se encuentre protegido por una pantalla de tubos perteneciente al haz convectivo. Esta pantalla protege al sobrecalentador de las altas temperaturas de metal así como también del ensuciamiento.


Comportamiento de la temperatura del vapor en función del estado de carga de la caldera.

10a. Generdores de vapor

Documents

Transcript of 10a. Generdores de vapor