IEPFCalderas

Inst. y Economa de Plantas de Fuerza ICM-316

Universidad Tcnica Federico Santa Mara

Departamento de Ingeniera Mecnica

Instalacin y Economa de Plantas

de Fuerza

ICM-316

Prof. Mg.-Ing. Jaime Espinoza S.

2013

Inst. y Economa de Plantas de Fuerza ICM-316

Captulo 9: Calderas y Anlisis de la

Combustin

Captulo 9: Calderas y Anlisis de la Combustin

Inst. y Economa de Plantas de Fuerza ICM-316 3

Calderas

1. Pirotubulares: Estas son calderas dotadas de tubos rectos, rodeados de agua y a travs de cuyo interior pasan los gases de la combustin. Estos tubos se instalan normalmente, en la parte inferior de un tambor sencillo o de un casco, abajo del nivel de agua.

2. Acuotubulares: En estas calderas los tubos contienen en su interior el vapor

o agua, mientras que el fuego es aplicado en la superficie exterior de los mismos. Los tubos generalmente uno dos o ms domos, se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en ngulo recto con respecto al mismo. Los domos van colocados horizontalmente por lo regular.

La ltima clasificacin es atendiendo a otros puntos de vista tales como la

fijeza o movilidad de la caldera, la aplicacin a que se destine el combustible que quema o utiliza, posicin del hogar, tipo de hogar, etc.



Calderas de Acero con tubos de humo (pirotubulares)

Las calderas de tubos de humo se usan principalmente para sistema de calefaccin, para la produccin de vapor requerido en procesos industriales o como calderas porttiles: Se construyen en tamaos de hasta unos 6.800 Kg. de vapor por hora. La caldera de baja presin est limitada a 110[KPa] de presin de vapor, 210 [KPa] en agua caliente y la caldera de generacin de fuerza puede operar a unos 2000 [KPa] .

Las calderas pirotubulares se usan generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida (comparada con la demanda de grandes centrales termoelctricas). Las calderas pirotubulares tiene limitaciones en cuanto a su tamao y en la adaptabilidad de su diseo. Tiene la ventaja de un gran volumen de almacenamiento de agua, adems, tiene la particularidad de compensar los efectos de las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de vapor. Debido al gran volumen de agua, el tiempo que necesita para alcanzar su presin de trabajo, partiendo de un arranque en fro, es considerablemente mayor que el requerido por una caldera acuotubular. Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitada. Generalmente producen vapor saturado.



Caldera pirotubular

simplificada


Inst. y Economa de Plantas de Fuerza ICM-316 6 Captulo 9: Calderas y Anlisis de la Combustin

Caldera industrial tpica


Calderas Industriales


Disposicin de equipos en sala de calderas


Calderas acuotubulares


Para presiones superiores a los 1,1 [MPa] y capacidades de ms de 6800 [kg./h de vapor] se emplean casi exclusivamente calderas acuotubulares. Se encuentran tambin calderas pequeas de hasta 1[MPa] que se utilizan instalaciones de calefaccin, en las centrales termoelctricas la presin suele ser de 35 [MPa]. Las calderas de tubo de humo de acero son insuficientes en cuanto se presentan las necesidades de capacidad y presin mayores, en las calderas acuotubulares las menores dimensiones de sus componentes, y su facilidad de contrarrestar los efectos de expansin, hacen que sea ms conveniente para las grandes capacidades y mayores presiones dentro de la correlativa seguridad de su diseo. La caldera acuotubular se compone de tubos y domos. Los tubos que sirven para interconectar los domos, quedan localizados en la parte exterior agua y vapor, la superficie de calefaccin queda circunscrita exclusivamente a los tubos, stas calderas tienen circulacin natural de agua, pudiendo haber con circulacin forzada o controlada.




Las calderas acuotubulares pueden ser de tubos rectos o curvados, siendo stas ltimas las con mejores caractersticas de presin y temperatura, hoy en da en los servicios de alto rendimiento se han generalizado desplazando a las de tubos rectos. El costo inicial de una caldera acuotubular pequea, es ms alto que la de tamao equivalente de tubos de humo, pero la mayor eficiencia compensar este costo inicial. Sin la accin de sobrecalentador y economizador, puede alcanzar eficiencias del 78% y 80%.




Ventajas:

1. Peso relativamente reducido por unidad de vapor producido

2. Rpida puesta en servicio

3. Aceptan mayores sobrecargas

4. Rompimiento de un tubo no tiene serias consecuencias

5. El hogar puede ser diseado para diferentes combustibles

6. Ocupan menos lugar en planta (10 30 % menos) que las pirotubulares

7. Mayor facilidad de limpieza

8. Se puede aprovechar mejor el espacio para la superficie de calefaccin (flexibilidad en el diseo)




Desventajas:

1. Mayor costo inicial (no se justifica en calderas pequeas < 10 [ton/h])

2. Por el reducido volumen de agua debe cuidarse la alimentacin (normalmente debe ser automtica)

3. Es ms importante el tratamiento del agua


Caldera acuotubular


Caldera de Recuperacin de Calor


Componentes principales de una caldera acuotubular

1a - Regulacin turbina

1b Regulacin combustin

1c Control de nivel

2a Vlvula de seguridad

2b Alimentacin

2c Retencin

2d Purgas

3a Manmetro

3b indicador nivel


Velocidades tpicas de flujo en tuberas de centrales

trmicas


Vapor vivo 40 60 [m/s]

Sobrecalentador AP 45 65 [m/s]

Sobrecalentador BP 30 50 [m/s]

Extracciones AP 35 45 [m/s]

Extracciones BP 50 60 [m/s]

Agua alimentacin 3 6 [m/s]

Condensado 2 3 [m/s]


Rangos econmicos,

tcnicos y lmites de

aplicacin de aceros


Denominacin DIN Econmica Tcnica Lmite

HI / HIV, St 35,8, St 45.8 350 [C] 480 [C] 500 [C]

17 Mn 4, 19 Mn 5 400 [C] 500 [C] 520 [C]

15 Mo 3 450 [C] 520 [C] 530 [C]

13 Cr Mo 44 510 [C] 540 [C] 560 [C]

10 Cr Mo 9 10 550 [C] 580 [C] 590 [C]

14 Mo V 6 3 550 [C] 550 [C] 560 [C]

X 20 Cr Mo V 12 1 600 [C] 600 [C] 700 [C]

X 8 Cr Ni Mo V Nb 16 13 650 [C] 650[C] 800 [C]

X 8 Cr Ni Nb 16 13 750 [C] 750 [C] 800 [C]

X 8 Cr Ni Mo 16 16 750 [C] 750 [C] 800 [C]


Caldera con circulacin natural

40 t/h, 74 bar,

525 C Temperatura entrada agua alimentacin 105 C Carga parcial 50 % sin recirculacin, Combustible Petrleo pesado Hinf = 9659 kCal/kg 2 quemadores con inyeccin por vapor Potencia trmica 29 Gcal/h Alto: 17 m, Largo: 8,4 m, Ancho: 4,4 m


Caldera con circulacin natural


Caldera de circulacin forzada (Sistema Benson)

Alta presin: 890/950 t/h, 260 bar, 555 C, Recalentamiento: 783/830 t/h, 65 bar, 555 C Presin variable hasta 20% carga, Recirculacin en partidas y detenciones Combustible: Carbn de piedra Hinf = 6600 - 7100 kCal/kg, Cmara de combustin con fusin de cenizas, 16 quemadores circulares de 50 Gcal/h, 4 molinos de impacto de 29 t/h combustible, Potencia trmica = 595 Gcal/h


Precipitacin de cenizas

Caldera con quemadores convencionales

(extraccin seca de cenizas)


Precipitacin de cenizas

Caldera con quemadores ciclnicos

(con fusin de cenizas)


Balance de energa en

calderas

combm

AAireTm

vaporm

h

2

aguam

h

1


Balance de energa en calderas

aguavaporagua

hhmQ

infHmQ

combcomb

combQ

Q

Calor absorbido por el agua

Calor suministrado a la caldera

Rendimiento de la caldera


Determinacin del rendimiento

Mtodo Directo:

Medir flujo de masa de agua, vapor vivo, vapor recalentado, purgas, atemperadores, presiones, temperaturas

Mtodo Indirecto:

Determinar prdidas: gases paredes, cenizas, radiacin, conveccin

Mtodo Indirecto:

siendo:

Qgases: Calor perdido por los gases de escape

QP: Calor perdido por conveccin, radiacin

comb

pgasescomb

combQ

QQQ

Q

Q


Mtodo Indirecto

infHm

ththm

Q

Q

comb

ambgasggasgas

comb

gases

combgasmm /la relacin se obtiene del clculo de la combustin, por otro lado:

ambgasesPgasambgasggasttCthth

tambin QP/Qcomb < 1% de Qcomb para potencias de caldera > 50 [MW]


Prdidas y rendimientos de calderas

S

Prdida por gases de escape en chimenea

Prdidas por combustin incompleta

Prdidas por radiacin y conveccin

Prdidas por escoria

A: Carbn Bituminoso

B: Carbn de Piedra (extraccin seca de cenizas)

C: Carbn de Piedra (extraccin hmeda de cenizas)

D: Petrleo


Composicin elemental de los combustibles


Carbn % C % H % S % O % N % Ce Hinf [kCal/kg]

Enacar 67,1 5,1 2,5 8,3 1,1 14,0 6520

Schwager 64,9 5,2 2,6 7,7 1,1 18,5 6380

Pupunahue 63,8 4,3 0,4 16,2 1,2 14,2 5890

Catamutun 62,1 4,9 0,8 16,4 1,1 14,7 5850

Arauco 75,6 5,9 2,0 10,0 1,3 5,5 6200

Pecket 60,7 4,4 0,6 17,3 0,7 7,1 5600

San Pedro 54,4 5,9 0,3 27,7 1,0 10,7 5800

Lebu 74,3 5,6 3,0 9,0 1,6 7,1 5680

Magallanes 63,8 4,8 2,3 18,7 0,8 11,4 5600


Composicin elemental de los combustibles


Petrleo % C % H % S % O % N Hinf [kCal/kg]

Diesel 85 11,0 0,7 3,0 0,3 10900

Bunker 5 88 10,5 2,5 0,4 0,15 10340

Kerosene 86 13,5 0,2 0,15 0,15 11100

IFO 180 86,6 10,3 1,6 0,9 0,6 10450

Gas natural CH4: 94,5

C2H6: 3,95

N2: 1,18

C3H8: 0,18

CO2: 0,2

8720

Gas licuado C4H10:

68,9 CH8: 28,1

C5H12: 0,6

C3H8: 2,4

24140 kCal/m3


Composicin carbn



Relacin entre el aire de combustin y el grado de perfeccin de la combustin

Componentes medidos: CO2, CO, O2 CO2 y CO: indicadores de la combustin perfecta

CO2 y O2: indicadores del exceso de aire

Temperatura de gases en la chimenea

Muy alta Desperdicio de calor

Muy baja Limitado por corrosin de baja temperatura


Medicin y Anlisis de los gases de combustin


Constituyentes de los gases de escape

Variacin de componentes de gases de combustin en funcin del exceso de aire (referido al estequiomtrico)


Eficiencia de combustin


Medicin del tiraje

Indica la relacin a la que los gases circulan a travs del hogar y de las superficies de intercambio de calor (zona convectiva de la caldera) Si es muy alto: Aumenta temperatura en chimenea, CO2 baja Si es muy bajo: Poco aire para combustin completa, aparece humo


Medicin del tiraje T media gases en chimenea

Tiro por altura

mm. C.A.

Altura de chimenea en metros

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

mm. C.A.

120 0,227 8 11 14 17 19 22 25 28 30 33

140 0,317 10 13 16 19 22 25 29 32 35 38

160 0,360 11 14 18 22 25 29 32 36 40 43

180 0,395 12 16 20 24 27 32 36 40 43 47

200 0,425 13 17 21 26 30 34 38 43 47 51

220 0,458 14 18 23 27 32 37 41 46 50 55

240 0,486 15 19 24 29 34 39 44 49 53 58

260 0,515 15 21 26 31 36 41 46 52 57 62

280 0,535 16 21 27 32 37 43 48 54 59 64

300 0,557 17 22 28 33 39 45 50 56 61 67


Combustin

Hidrocarburos: Uniones de C y H

Carbones: C, H, S, O, N, Cenizas

Gas Natural : CH4 (Metano)

Elementos combustibles: C, H, S

Elementos oxidantes: 02

Resultado de combustin estequiomtrica:

C + O2 = CO2 + calor

H + O2 = H2O + calor

S + O2 = SO2 + calor


Combustin Realmente nunca puede lograrse una combustin perfecta, por lo que debe

agregarse aire en exceso, Aire = 21% Oxgeno, 79% Nitrgeno El exceso de aire depende del tipo de combustible: Carbn, parrilla mvil: 20 - 40 %

Petrleo: 10 - 15% Gas: 5 - 10% Lea: 50 - 80%

La cantidad real de exceso de aire se determinar con la medicin de % de

oxigeno en los gases de combustin Todo exceso de aire es perjudicial para la combustin porque enfra la llama Si la combustin es deficiente o por falta de aire se producirn

adicionalmente en los gases de combustin: CO: Monxido de carbono

H2: Hidrgeno CXHY: Hidrocarburos sin quemar H2S: Sulfuro de Hidrgeno C: Holln


Combustin Aire primario: Requerido para transportar el combustible (ej. carbn

pulverizado)

Aire secundario: Asegura la combustin, normalmente precalentado con gases de combustin

Temperatura de llama: Valores mximos 1850 - 2100 C (temperatura de llama adiabtica)

En hornos: se asla con refractarios

En calderas: este valor se baja a 1200 - 1400 C porque los tubos de agua absorben calor de la llama


Combustin Quemadores: Ventilador Bomba combustible Inyector o tobera Placa turbulencia Electrodo de encendido Sensor de llama

Turndown: Relacin entre la mxima y mnima relacin aire-combustible

Atomizacin: Mecnica: por bomba de combustible que inyecta y pulveriza Por arrastre con vapor Por centrifugacin


Anlisis de gases

En una caldera se determina el exceso de aire real mediante mediciones de la composicin de gases de combustin (base seca, sin H2O)

1. Oxgeno % Volumen YO2 2. Dixido de carbono % Volumen YCO2 3. Dixido de azufre % Volumen YSO2 Para transformar % en volumen (Y) en % en masa (X) XCO2 = YCO2(Rg / RCO2) XO2 = YO2(Rg / RO2), Donde:

Rg: Constante del gas RCO2: Constante del CO2 RO2: Constante del O2


Efecto del exceso de aire en CO2 en productos de combustin

Combustible % Aire en exceso

0 10 20 40 60 80 100 150 200

Gas natural % CO2 12 10,7 9,8 8,3 7,2 6,3 5,7 4,5 3,7

Propano % CO2 14 12,6 11,5 9,8 8,5 7,5 6,7 5,3 4,4

Butano % CO2 14,3 12,9 11,7 10 8,6 7,6 6,8 5,4 4,5

Combustible destilado

% CO2 15,2 13,8 12,6 10,7 9,3 8,2 7,4 5,9 4,9

Combustible residual

% CO2 15,6 14,1 12,9 11 9,6 8,5 7,6 6,1 5

Carbn bituminoso

% CO2 18,4 16,7 15,3 13 11,4 10,1 9 7,2 6

Carbn de antracita

% CO2 19,8 18 16,5 14,1 12,4 11 10 7,9 6,9


Diagrama de Ostwald


Ejemplo de clculo elemental de la combustin

Combustible

Petrleo Diesel

Combustible

Gas Natural Unidades

Hinf = 40,5 Hinf = 33,8 [MJ/kg]

C = 0,860 CH4 = 0,6671 [kg/kg]

H = 0,116 C2H6 = 0,0092 [kg/kg]

S = 0,012 CO2 = 0,2233 [kg/kg]

O = 0,009 N2 = 0,1004 [kg/kg]

N = 0,003 - [kg/kg]

B = 1,000 B = 1,0000

Humedad del aire: XH2OL = 0,01 Exceso de aire: = 1,05



Requerimientos de aire

COMBUSTIBLE A COMBUSTIBLE B

K LOTK K LOTK

C H S O N

CH4 C2H6 CO2 N2

LOT = (K LOT) = LO = LOT ( 1 + Xh2oL) = LT = LOT = L = LO =



VAPOR DE AGUA


K H20BOK K H20BK

H CH4 C2H6

H2OB = (K H2oB) =

A) Del combustible




XH2oL LOT XH2oL LT

B) Del aire de combustin

C) Vapor de agua total H2Oo = H2OB+ XH2OL LOT H2O = H2OB + XH2OL LT


H2Oo H2O

VAPOR DE AGUA




K CO2K K CO2K

CO2 = (K CO2K) =

DIOXIDO DE CARBONO CO2

DIOXIDO DE AZUFRE SO2


SO2 = (K SO2) =



NITROGENO (Incl. Argn) : N2


0,7679 LOT N

N2o


N2o 0,7679 ( - 1) LOT

N2

N2 = (0,7679 LOT ) + N

Con exceso de aire



Oxigeno en gases de combustin O2G = 0,2321 ( - 1) LOT


O2G




1,0 CO2 SO2 N2O H2O0

Go

1,05 CO2 SO2 N2 O2G H2O

G

1,0 XCO2 X N2 XH2O

1,05 XCO2 X N2 XH2O XSO2 XO2

Composicin gases hmedos



Composicin gases secos

1,0 CO2 SO2 N2O

GoT

1,05 CO2 SO2 N2 O2G

GT

1,0 XCO2T X N2T

1,05 XCO2T X N2T XSO2T XO2T



Relaciones entre anlisis del gas, constante del gas, volumen normal, densidad normal, poder

calorfico. CONOCIDO BUSCADO

% en MASA XK

% EN VOLUMEN YK

% EN MASA XK (K)

XK = (K / RK)/ (YK/ RK)

% EN VOLUMEN YK

YK = (XK RK)/ XK RK

CONSTANTE DEL GAS R

R = XK RK 1/R = (YK/ RK)

VOLUMEN ESPECIFICO NORMAL VN

Vn = XK VNK 1/ Vn = YK / VNK

DENSIDAD NORMAL N

1/N = XK / N K N = YK N K

PODER CALORFICO REF. MASA Hinf Hinf = XK HinfK

Hinf = ( YK HinfK/ RK) / ( YK / RK)

PODER CALORFICO CONDICIONES NORMALES HinfK

Hinf= ( XK RK HinfK ) / ( XK RK)

Hinf = YK HinfK



Calculo Estadstico de la Combustin

No se requiere conocer el anlisis elemental para el clculo bsico de la combustin.

Datos : - Poder calorfico inferior en MJ/kg - % cenizas CE y % agua "Slo se requiere el anlisis inmediato del combustible" Formulas de BOIE: basadas en estadsticas de combustibles slidos,

lquidos, gaseosos. CARBN: Hinf en MJ/kg LO = 0,3110 Hinf + 0,7599 (1- CE ) L = LO GOT = 0,3244 Hinf + 0,7925 (1 - CE) Go = 0,3110 Hinf + 1,7599 (1 - CE) h20 = (0,9627 + 0,0047 ) (1 - CE) - (0,0153 - 0,0019 ) Hinf O2 = 0,0717 ( - 1) Hinf + 0,1753 (1- CE) CO2 = 0,08584 Hinf + 0,2097 (1 - CE)



CARBN:

GASES

XCO2T = 0.2646 = CO2 / GoT

XH2O = HO / ( Lo + 1 - CE )

X SO2T = 0,00234 = SO2 / GoT



PETROLEO DIESEL

LO = 0,3452 Hinf - 0,2960 L = LO G0T = 0,250 Hinf + 3,4920 Go = 0,3452 Hinf + 0,7040 H2O = (0,0931 + 0,0021 ) Hinf - (2,7862 + 0,0018 ) CO2 = 3,1284 SO2 = - 0,0120 Hinf + 0,5274 O2G = ( - 1) (0,0796 Hinf - 0,0683) GASES XCO2T = 3,1284 / (0,2500 Hinf + 3,4920) X SO2T = (-0,0120 Hinf + 0.5274) / (0,2500 Hinf + 3,4920) XH2O = (0,0931 + 0,0021 ) / Hinf - (2,7862 + 0,018 ) / (0,3452 Hinf - 0,296)+1



GAS NATURAL

L0 = 0,3459 Hinf

L = L0 G0T = 0,2988 Hinf + 1

G0 = 0,3459 Hinf + 1

H2O = (0,0449 + 0,0021 ) Hinf

co2 = 0,049 Hinf + 0,5

O2G = ( - 1) 0,0798 Hinf

GASES

XCO2 = (0,0449 Hinf + 0,5) / ( 0,3459 Hinf + 1)

XH2O = (0,0449 + 0,0021 ) Hinf / ( 0,3459 Hinf + 1)



Informacin adicional

Generadores de vapor

Medicin de la eficiencia de calderas

IEPFCalderas

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