QUEMADORES

Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la mezcla para la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada y regulable en toda la salida del quemador, asegurando la aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calorífica especificada, y distribuyendo la zona de reacción (llama) y la circulación de los productos de combustión de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente posible todo el calor producido.

Según sea el combustible utilizado, los quemadores se clasifican en quemadores de combustible gaseoso, combustible líquido y combustible sólido. En el caso de estos últimos, si la aportación del sólido se realiza neumáticamente (carbón pulverizado, por ejemplo) existe cierta homogeneidad con respecto al equipo utilizado para los otros combustibles; pero en otros casos, como el empleo de parrillas, por ejemplo, existe una diferenciación evidente.

En fin para entrar más en detalle, tenemos que conocer los tipos de quemadores que existen y estudiarlos:

· Quemadores para combustibles gaseosos

La combustión de gas aparentemente es la más sencilla pero en realidad es más difícil y peligrosa que los otros combustibles. Una razón de lo anterior, es que la flama en muchos tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla en el horno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de fugas dentro del horno, o pérdida de fuego dentro del horno, o por pérdida de fuego dentro de los quemadores no lo hace visible y por tal motivo no será notado por los operadores dando por consecuencia una explosión.

Los quemadores de combustibles gaseosos son de varios tipos los cuales se citan a continuación:

· Quemadores abiertos de tiro natural: Se caracterizan por producir una presión negativa en la cámara de combustión que causa el tiro (o aspiración) del aire necesario, usualmente a través de obturadores ajustables colocados alrededor de las toberas de combustible. La aspiración hacia la cámara puede ser natural (por efecto de chimenea) o inducida por un ventilador de aspiración (extractor) (Figura Nº 20). El mezclado de combustible y aire puede ser deficiente, y quizás no exista control de la relación combustible a aire. El retroajuste para inyectar aire de combustión precalentado es difícil.

Figura Nº 20 Quemador Abierto de Tiro Natural

· Quemadores sellados mecánicos: No tienen entradas intencionales de aire libre alrededor de la tobera, ni entradas de aire en forma de persiana en la pared de la cámara de combustión.

Todo el flujo de entrada de aire usualmente es controlado por un ventilador de inyección (ventilador de tiro forzado) que impulsa el aire a través de tubos o de una caja de aire.

Estos quemadores suelen tener una mayor caída de presión de aire en la tobera, de modo que las velocidades del aire son mayores y por tanto son mejores el mezclado y el control de la configuración de la flama. Es posible medir el flujo de aire que resulta fácil el control automático de la relación aire - combustible (Figura Nº 21).

 

Figura Nº 21 Quemador Sellado Mecánico

· Quemadores de caja de aire: Con frecuencia consisten en poco más que un atomizador largo y un inyector o anillo de gas. Son comunes en calderas y calentadores de aire, en los que por razones económicas los grandes volúmenes de aire requeridos son suministrados a muy baja presión ( 2 a 10 pulgadas de columna de agua). Es necesario tomar precauciones para evitar el flujo inverso o el reflujo de combustible hacia la caja de aire (Figura Nº 20).

Figura Nº 22 Quemador de Caja de Aire

· Quemadores integrados: Usualmente consiste en elementos atornillados y dispuestos con un ventilador y quizás controles también integrados. Se usan ampliamente en instalaciones nuevas y de retroajuste (Figura Nº 23).

Figura Nº 23 Quemador Integrado

 

· Sistema de quemador con premezclado: Pueden encontrarse en cualquiera de las configuraciones anteriores. Gas y aire se mezclan completamente corriente arriba de la tobera de la flama. Los pequeños quemadores industriales de paso múltiple de este tipo facilitan la dispersión de una pequeña cantidad de calor sobre un área extensa, por ejemplo, cubas, rodillos, calderas pequeñas y placas móviles, y para el procesamiento a baja temperatura de productos movilizados por transportador (Figura Nº 24). Los grandes quemadores de puerta única con premezclado han sido sustituidos por quemadores con mezclado por tobera. Es posible controlar mejor la relación combustible - aire con el uso de mezcladores aspiradores (la inyección de aire aporta la energía necesaria para atraer la proporción adecuada de gas) (Figura Nº25). Muchas unidades pequeñas tienen sopladores de tamaño menor que el necesario, en virtud de que por aspiración en el horno se obtiene aire secundario. El aumento en los costos de los combustibles hace económicamente impráctico el uso innecesario de exceso de aire en tales configuraciones.

 

Figura Nº 24 Quemador de Premezclado con Inyector

Figura Nº 25 Quemador de Premezclado con Aspirador

 

· Sistema de quemador con mezclado en tobera: En este dispositivo se mezclan gas y aire al entrar a la cámara de combustión por la boquilla de la flama (Figura Nº 26). Tales sistemas permiten el uso de una amplia variedad de relaciones combustible - aire, formas de flama y combustibles. Para procesos que requieren ambientes especiales, pueden operar con mezclas muy ricas (exceso de combustible de 50%) o muy pobres (exceso de aire de 1500%). Pueden construirse de modo que las velocidades sean muy grandes, para mejorar aun más la transferencia de calor por convección (Figura Nº 27). En otros se usan efectos centrífugos y de otra clase para hacer que la flama siga el contorno de una pared refractaria adyacente, y de este modo mejorar la radiación por las paredes (Figura Nº 28).

Figura Nº 26 Quemador con Mezclado en Tobera Controlado por Aire

 

Figura Nº 27 Quemador de Alta Velocidad

 

Figura Nº 28 Quemador de Radiación para Pared

 

· Quemadores con mezcla de acción retardada: Tienen una forma especial de mezclado en tobera intencionalmente lento (un soplete de gas rudimentario presenta una forma no intencional de mezclado retardado). La ignición de un combustible en presencia de aire escaso da por resultado polimerización o pirolisis, que produce apenas algunos micrómetros de diámetro. Estos sólidos presentes en la flama absorben calor y producen luminiscencia inmediatamente, haciendo que una llama de mezcla de acción retardada sea amarilla o anaranjada. El aumento de la luminosidad mejora la transferencia de calor por radiación de la flama, lo cual es una de las razones de emplear llamas de acción retardada. La otra razón es que este efecto permite ampliar la distancia a la que se libera calor para obtener calentamiento uniforme en toda la longitud de un tubo de radiación, un horno largo de secar o un horno que solo puede ser fogueado por un extremo.

· Quemadores controlados por combustible: En la mayor parte de los quemadores para procesos industriales tradicionalmente se ha usado la energía de la corriente de aire para conservar la estabilidad y la forma de la llama. Ahora que por lo general se tiene acceso a suministros de combustibles de presión alta, es lógico emplear la energía de la corriente de combustible para controlar la estabilidad y la forma de la flama, de modo que sea posible utilizar fuentes de aire de presión baja.

En la Figura Nº 29 se presenta un quemador controlado por combustible. La disponibilidad de múltiples conductos de entrada y posiciones de puerta de salida permite modificar el patrón de la flama durante el funcionamiento para una transferencia de calor optima de ciclo. Es posible construir de manera similar quemadores de combinación para dos combustibles, empleando atomizadores de dos fluidos con aire comprimido o vapor como medio de atomización.

Figura Nº 29 Quemador de Gas Controlado por Combustible para uso de Aire Precalentado

 

· Quemadores de Aceite combustible (combustóleo):

Gran parte de lo que se ha dicho anteriormente para los quemadores de gas es válido también para los de petróleo o aceite combustible. Los líquidos en si no experimentan combustión, de modo que deben vaporizarse antes. Es posible emplear ebullición en aire caliente para producir un flujo de vapor caliente, el cual puede sustituir de manera directa al gas en los quemadores de premezclado. A menos de que haya muchos quemadores o de que sean muy pequeños, por lo general es más práctico (reduce la necesidad de mantenimiento) convertirlos en quemadores de combinación (para dos combustibles) del tipo de mezclado en tobera.

 

Vaporización por Atomización

En casi todos los quemadores industriales para combustibles líquidos se emplean atomización para ayudar a vaporizar el combustible, exponiendo la gran área superficial (respecto al volumen) de millones de gotas diminutas (en un intervalo de tamaños de 100 a 400 micrómetro). La transferencia de masa ocurre entonces con rapidez, incluso si las gotas no se exponen a la radiación del horno o a aire caliente.

En la atomización por presión (como en una manguera de jardín) se emplea la energía de presión contenida en la corriente de líquido para hacer que la energía cinética venza las fuerzas viscosas y de tensión superficial. Si embargo, si la entrada se reduce al disminuir la presión del combustible, la calidad de atomización también se reduce; por tanto, este método de atomización se limita a unidades no graduables (solo del tipo encendido - apagado) o a casos en que se dispone de presiones de combustibles mayores a 250 psi.

La atomización de dos fluidos es el método mas usado en quemadores industriales. La fricción viscosa por un segundo fluido a alta velocidad que rodea la corriente de combustible líquido literalmente lo rompe en gotas pequeñas. El segundo fluido puede ser aire a baja presión (>2 psi, o bien <13.8kPa), aire comprimido, combustible gaseoso o vapor de agua. Existen muchos diseños patentados de atomizadores para diversos ángulos de aspersión, tamaños, intervalos de intensidad de flama y dimensiones de gotas. La mezcla en emulsión suele producir la mejor atomización (gotas pequeñas uniformes con consumo relativamente bajo del fluido atomizador), pero en este caso el control es complicado por la interacción de las presiones y los flujo de las dos corrientes. El mezclado externo es totalmente los opuesto. El uso actual es una solución intermedia denominada atomización de emulsión en la punta.

En la atomización por copa giratoria se envía el combustible líquido hacia el centro de una copa que gira rápidamente y que está rodeada por una corriente de aire. La rapidez del giro y la presión del aire determinan el ángulo de aspersión. Este método aun se usa en algunas calderas grandes, pero se ha demostrado que algunas partes móviles expuestas al calor del horno representan un serio problema de mantenimiento en hornos para procesos a la temperatura elevada, y en instalaciones pequeñas en las que es posible que no se aplique un estricto programa de mantenimiento preventivo.

Los sistemas sónicos y ultrasónicos de atomización crean gotas muy finas, pero les imparte muy poco movimiento. Por esta causa, no funcionan bien con las configuraciones ordinarias de quemadores y hacen necesario un diseño completamente nuevo.

 

Acondicionamiento de Combustible Líquido

Es posible emplear diversos aditivos para reducir la degradación del combustible en el almacenamiento, minimizar la escorificación y abatir la tensión superficial, la contaminación y el punto de rocío.

Los aceites residuales deben calentarse antes del bombeo para reducir su viscosidad, usualmente a 550 SSU (10cSt). Para lograr una atomización adecuada, los combustóleos de grados más pesados que el Num. 2 deben calentarse con el fin de reducir la viscosidad a una cantidad entre 135 y 150 SSU. Se necesita elevar la temperatura del combustóleo a un nivel exigido, por ejemplo, aproximadamente a 57 ºC para el combustóleo Num. 4, 74 ºC para el Num. 5 y de 93 ºC a 104 ºC para el Num. 6 (la clasificación de los combustóleos se puede consultar en el segmento referido a los combustibles líquidos contenido en este mismo circuito).

Si el combustible a acondicionar es petróleo y el flujo del mismo se detiene dentro del calentador, este puede vaporizarse o carbonizarse. Ambas situaciones disminuyen la transferencia de calor desde las superficies del calentador, lo cual puede causar una falla catastrófica en los calentadores.

 

· Quemadores de carbón pulverizado:

Los quemadores de carbón pulverizado, se colocan en diferentes posiciones, dependiendo del combustible, tamaño y forma del horno. El carbón de bajo contenido de compuestos volátiles deben pulverizarse finamente para obtener mejor relación de combustión. Una parte total del aire requerido aproximadamente el 10 al 20% es necesario para soplar el combustible dentro del horno. Si se usa poco aire primario, el combustible puede depositarse en los quemadores o en los tubos, con el peligro de ignición y daño del quemador. El tamaño y forma de las toberas de los quemadores, distribuidores, así como las tuberías de aire y carbón tienen efecto importante en la estabilidad de los fuegos y temperatura del horno.

Los quemadores que se usan con mayor frecuencia son los circulares de un solo registro, diseñados para quemar solo carbón pulverizado (Figura Nº 30). Este tipo de quemadores puede equiparse para quemar cualquier combinación de los tres combustibles principales. Sin embargo, el quemar una combinación de carbón pulverizado con combustóleo con el mismo quemador debe limitarse a periodos cortos de emergencia debido a que existe la posibilidad de que se forme coque en el elemento de carbón pulverizado.

Figura Nº 30 Quemador Circular para Carbón Pulverizado, Combustóleo o Gas

 

La disposición de estos quemadores en el hogar se puede observar en la siguiente figura Nº 31

Figura Nº 31 Caldera con Quemadores Inclinados hacia Abajo o hacia Arriba

HOGARES

Un hogar es una cámara donde se realiza la combustión. La cámara confina los productos de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y su geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, al tipo de combustible y al método de combustión completa y proporciona un medio apropiado para eliminar la ceniza.

Los hogares se pueden clasificar según su función:

· Calentamiento para moldeo en estado sólido (laminado, forja).· Fusión de metales o vidrio.· Tratamiento térmico para mejorar propiedades físicas.· Precalentamiento para procesos de revestimiento, galvanización, esmaltado vítreo y otros revestimientos a alta temperatura.· Beneficio o fundición para reducir minerales metálicos.· Cocido de materiales cerámicos.· Incineración.

Por el método de manejo de la carga:

· Hornos de carga completa para calentamiento cíclico, incluyendo hornos de forja dispuestos para calentar el extremo de una barra o lingote insertado por una abertura en la pared o una puerta lateral en diseños de base corrediza de tipo crisol estacionario.· Hornos contínuos en los cuales las cargas son empujadas o llevadas por una banda transportadora.· Horno inclinable.

Hogares enfriados por agua: Se utilizan con la mayor parte de las unidades de calderas y para todos los tipos de combustibles y métodos de combustión (ver figura Nº 32). El aumento creciente de los costos de la energía calorífica ha motivado que las estructuras de las paredes se mejoren para reducir las pérdidas o las demandas de calor para ciclos de calentamiento. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación. Las construcciones de hogares enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y también de dimensiones óptimas de techos, tolvas, arcos y montaje de los quemadores; así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente de calor en la zona de combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las pérdidas de calor al exterior.

Figura Nº 32 Hogar Enfriada por Tubos de Agua

Las superficies absorbentes de calor en el hogar, reciben de los productos de combustión dicho calor y contribuyen directamente a la generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan en forma simultánea. Estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos que proviene del lecho del combustible o de las partículas del

combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del hogar y la conducción de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficiencia de absorción de calor de las superficies del hogar es influida por los depósitos de ceniza o escoria.

Estos tipos de hornos difieren en tamaño y forma, en la localización y espaciamientos de los quemadores, en la disposición de la superficie absorbente de calor y en la distribución de arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la geometría de la radiación y la velocidad y distribución de la absorción de calor por las superficies enfriadas por agua.

Las soluciones analíticas de la transferencia de calor en los hogares de las unidades generadoras de vapor son extremadamente complejas, y es muy difícil calcular la temperatura de los gases de salida del hogar por los métodos teóricos. Sin embargo, se debe predecir la temperatura de los gases de la manera más precisa posible, ya que esta temperatura determina el diseño del resto de la unidad de la caldera, en particular el del sobrecalentador y del recalentador. Los cálculos, por tanto, deben basarse en resultados obtenidos en pruebas, datos acumulados por la experiencia en la operación y en juicios basados en el conocimiento de los principios de la transferencia de calor y de las características de los combustibles y escorias, o para ser un poco más específico en la determinación de dichos cálculos las variables que afectan de manera bastante directa son la potencia calorífica del combustible, materias volátiles, punto de ignición, contenido de cenizas y su temperatura de reblandecimiento y fusión, contenido de azufre y humedad, facilidad de pulverizado del carbón y clasificación de tamaños, de estas la que tiene mayor influencia es el punto de fusión de la ceniza. Puesto que cualquier ceniza se funde en una llama de combustible pulverizado, debe dirigirse un esfuerzo hacia las partículas en enfriamiento de la ceniza fluida por debajo de la temperatura de ablandamiento antes que penetren la sección de convección de la unidad. De esta forma parece indicado un hogar de grandes dimensiones y de baja pérdida de calor.