Diseño de calderas industriales

XXV.- DISEO DE CALDERAS INDUSTRIALEShttp://libros.redsauce.net/

Las calderas industriales tienen, en general, caractersticas de diseo distintas de las calderas ener-

gticas; se construyen en un amplio campo de tamaos, presiones y temperaturas, desde las de vapor

saturado a

2 psig (1,2 bar) 218F (103C)

, que se utilizan para caldeos de todo tipo, hasta las de

1800 psig (125 bar) 1000F (538C)

,

para plantas generadoras de electricidad.

Las calderas industriales suministran vapor para ms de una aplicacin; en determinadas cir-

cunstancias la demanda de vapor puede ser cclica o fluctuante, de modo que el funcionamiento de la

unidad generadora de vapor y su equipo de control, se pueden complicar.

En las calderas industriales, el flujo de la mezcla agua-vapor suele ser en circulacin natural, con

excepcin de las viejas unidades remodeladas con lechos fluidificados burbujeantes y las grandes calde-

ras con gran capacidad de generacin de vapor.

Las grandes calderas para generacin de electricidad, se disean para quemar carbn pulverizado o

troceado, aceite, gas o una combinacin de aceite o gas con un combustible slido determinado.

Las calderas industriales se disean para los combustibles anteriores y tambin para quemar en

hogares mecnicos, carbn groseramente troceado.

Muchos procesos industriales generan subproductos que pueden servir como combustibles, contri-

buyendo significativamente al rendimiento operativo de la planta, y reduciendo el coste del producto, co-

mo:- Gases derivados de la industria del acero, como el gas de horno alto y el gas de batera de coque

- Productos clsicos de la industria del petrleo, como CO, gas de refinera y coque de petrleo

- Productos de la agricultura como el bagazo de los molinos de azcar, cscaras de cacahuete, posos de caf, etc

- Residuos de la industria de la pulpa y papeleras, como madera, cortezas, productos qumicos de proceso, sedimentos, etc

- Residuos slidos municipales, basuras

Los parmetros que especifican las calderas industriales son:- Presin de vapor

- Temperatura e intervalo de control

- Flujo de vapor: punta, mnimo, curva de carga

XXV.-737

- Temperatura y calidad del agua de alimentacin

- Capacidad de reserva y nmero de unidades

- Combustibles y sus propiedades

- Caractersticas de las cenizas

- Preferencias en mtodos de combustin

- Lmites de emisiones medioambientales SO2, NOx, partculas slidas, otras- Espacio del emplazamiento y limitaciones en accesos

- Auxiliares, requisitos de operadores y base de evaluacin

XXV.1.- EQUIPO GENERADOR DE VAPOR

Una de las caractersticas constructivas que distingue a la mayora de las calderas industriales, es

la gran superficie del banco de caldera de agua saturada (superficie vaporizadora), dispuesta entre el

caldern superior y el caldern inferior, Fig XXV.1 y 4.

El objetivo del banco tubular de la caldera radica en calentar el agua de alimentacin que entra en

la caldera hasta la temperatura de saturacin y, a continuacin, vaporizarla al mismo tiempo que en-

fra los humos hasta una temperatura de salida econmicamente razonable.

En las calderas de baja presin, en el interior del recinto del hogar no existe la suficiente superficie

de caldeo para que se pueda absorber la energa necesaria para llevar a cabo el calentamiento y la va-

porizacin, por lo que se dispone otro banco de caldera, en el seno del flujo de humos, aguas abajo del ho-

gar y del sobrecalentador (si existe), que se encarga de ofrecer la superficie termointercambiadora que

se precise.

Cuando la presin en el generador de vapor aumenta, Fig XXV.2, la absorcin de calor requerida

para la vaporizacin del agua disminuye, al tiempo que aumenta la absorcin de calor por parte del so-

brecalentador.

Fig XXV.1a.- Sistema de caldera energtica Stirling para carbn pulverizado de dos calderines, con equipo de control medioambiental

XXV.-738

Fig XXV.1b.- Esquema de instalacin energtica para carbn pulverizado con equipos de control medioambiental

Fig XXV.2.- Efecto de la presin del sistema sobre la vaporizacin, en caldera industrial con sobrecalentamiento constante de 100F (56C)

En algunas unidades industriales modernas de muy alta presin, se instala un mdulo de caldera

ms pequeo, independiente del caldern de vapor, que efecta la misma funcin que el banco de caldera,

pero a menos coste, Fig XXV. 5.

Se puede utilizar tambin un economizador o un calentador de aire comburente, aguas abajo del

banco de caldera, para reducir an ms la temperatura de los humos a la salida de la unidad.

Flujo de vapor.- Para asegurar el cumplimiento de la demanda de vapor, que implica el aporte de los

flujos de calor necesarios en todos los puntos de utilizacin, hay que seleccionar un equipo generador de

vapor con la suficiente capacidad, operatividad y flexibilidad.

La demanda de vapor puede ser:

Estacionaria, como ocurre en la mayor parte de los sistemas de calentamientoTransitoria, fluctuando amplia y rpidamente

Los requisitos del vapor para las diversas condiciones de funcionamiento se tienen que establecer

con exactitud, a fin de asegurar que el sistema de caldera seleccionado, pueda cumplir con todas las con-

diciones de la demanda, es decir:- Flujo punta

XXV.-739

- Flujo mximo continuo

- Flujo mnimo

- Rgimen de cambio de flujo

La carga punta determina la capacidad mxima del equipo generador de vapor y de todos los equi-

pos auxiliares asociados; para cargas altamente fluctuantes, se establecen puntas de 15 minutos, que

es el tiempo mximo que se pueden soportar. En la mayora de los casos, las puntas de corta duracin

se cubren con el almacenamiento de calor, inercia trmica asociada al equipo generador de vapor.

Vapor para procesos y calentamientos.- La presin de vapor saturado para procesos de calenta-miento es aquella para la que la correspondiente temperatura de condensacin del vapor es ligeramente

superior a la temperatura requerida en los materiales o productos a calentar; la utilizacin de vapor so-

brecalentado no tiene sentido para este tipo de servicio y, frecuentemente, es indeseable por interferir

en el control de la temperatura.

Por ejemplo, la recuperacin o desvulcanizacin del caucho es un proceso de calentamiento con va-

por, en el que el caucho se calienta, en una solucin cida a 400F (204C), con un vapor saturado en

fase de condensacin a

250 psig (18,2 bar) 407F (208C)

en la camisa del desvulcanizador.

Para el calentamiento de grandes espacios en edificios, la presin del vapor saturado va desde 2

psig (1,2 bar), hasta 80 psig (6,5 bar).

Es raro distribuir vapor mediante tuberas largas con presiones inferiores a 150 psig (11,4 bar), de-

bido al coste de las tuberas.

Los requisitos del vapor dentro del recinto de la caldera, en sopladores, bombas de alimentacin y

otros auxiliares, aconsejan hacer funcionar a las calderas a una presin mnima de 125 psig (9,6 bar),

existiendo muy pocas plantas de vapor que operen por debajo de esta presin.

La presin requerida a la salida de un equipo generador de vapor para procesos de calentamiento, se

sita entre

125 a 250 psig 9,6 a 18,2 bar

y no se requiere vapor sobrecalentado. Para este tipo de servicio, los fabrican-

tes de calderas han estandarizado la presin de 250 psig (18,2 bar) en calderas de tubos de pequeo di-

metro.

En calderas estacionarias y domsticas, la presin de operacin se mantiene prcticamente cons-

tante en todo el campo de cargas, de modo que en estas condiciones se satisfagan todos los requisitos de

presin y flujo de los diversos equipos que utilicen el vapor; el diseo de los aparatos para el control auto-

mtico de la combustin se hace conforme a este supuesto operativo.

Servicio combinado de calor y energa.- Muchas operaciones de fabricacin precisan energas mec-nica, elctrica y vapor para calentamiento, como las que se presentan en las industria papelera y textil,

en las de produccin de productos qumicos y en las de procesado del caucho. Para estas situaciones hay

que realizar estudios de costes y beneficios, relativos a:- Una planta en la que la energa elctrica se compra al exterior y el vapor se genera en la misma para cumplimentar los

requisitos de calentamiento

- Una planta en la que la energa y el vapor se generan por un mismo sistema

La valoracin de cada una de estas alternativas exige un conocimiento exacto de:

- Las necesidades de vapor y de energa elctrica

- La posibilidad de correlacionar estos requisitos

- Los estudios econmicos

Cuando slo se produce electricidad, un 60% del calor suministrado por el combustible se pierde en

XXV.-740

el sistema de condensacin, por lo que es posible que resulte ms econmico comprar energa elctrica a

una fuente proveedora exterior, cuando est a precios razonables, excepto cuando exista disponible calor

residual a bajo coste en la misma planta, as como subproductos combustibles, bagazo, gas de horno al-

to, aserrn o madera triturada, gases calientes, etc

Para la cogeneracin se usan dos procedimientos:

- Cuando en un lugar hay gas natural barato y disponible, para la generacin de electricidad se puede utilizar una tur-

bina de gas, empleando el calor residual del escape de dicha turbina para:

- Producir vapor en un generador de vapor recuperador de calor (HRSG)

- Una caldera recuperadora de calor

Fig XXV.3.- Recuperador de calor (HRSG)

Para un sistema energtico basado en turbina de gas:

- Si la demanda de vapor excede de la demanda de energa, se suministran quemadores auxiliares con el HRSG

- Si la demanda elctrica excede a la demanda de vapor, el exceso de energa se puede comprar en el exterior

Para un sistema energtico basado en turbina de vapor:- Si la demanda de vapor sobrepasa a la de energa elctrica, el vapor de escape de la turbina se complementa con fuego

auxiliar en la caldera y posteriormente se pasa a un sistema reductor de presin y des recalentamiento

- Si la demanda de energa elctrica es ms alta que la del vapor, se puede utilizar un sistema de condensacin con ex-

traccin de vapor, o comprar en el exterior la diferencia de energa elctrica

Si los requisitos de vapor y de energa son estacionarios, la cogeneracin puede resultar ventajosa,

incluyendo en sta los costes de capital, de operacin y mantenimiento.

Si el servicio es discontinuo, el factor de carga es bajo o las solicitudes correspondientes de vapor y

de energa elctrica son notablemente diferentes, resultando ms barato el suministro de electricidad

desde la red local y el suministro del vapor en la propia planta.

Generacin de energa.- En aquellos lugares en los que hay disponibilidad de gas natural a un precio

competitivo, las turbinas de gas simples, en especial las modernas unidades modulares, tienen tenden-

cia a dominar en la generacin de energa elctrica.

Cuando se dispone de un combustible residual o de carbn de bajo coste, el sistema compuesto por

XXV.-741

un generador de vapor y turbina de vapor puede llegar a configurar el sistema ms econmico para un

suministro local de energa elctrica, en el que:- La seleccin de la presin y temperatura de estos sistemas, depende de la evaluacin econmica

- El control de la temperatura del vapor se suministra cuando la potencia elctrica de la unidad supera los 25 MW; es

muy importante cuando se puedan provocar grandes oscilaciones en la produccin energtica, debido a las variaciones en el

flujo de combustible y en su calidad

Potencia de los servicios auxiliares.- En todas las plantas se precisa energa elctrica para el accio-namiento de diversos auxiliares del sistema, como son las bombas de alimentacin de agua del ciclo, los

ventiladores de aire y humos del generador de vapor y los molinos del combustible, al tiempo que se ne-

cesita energa complementaria para el calentamiento del agua del ciclo.

En las instalaciones de calentamiento para procesos industriales, es norma accionar los auxiliares

por vapor, para lo que hay que contar con el suficiente vapor de escape para el calentamiento del agua

del ciclo trmico de vapor y para el accionamiento de otros pequeos auxiliares.

Existen circunstancias en las que la demanda de vapor de escape es tan grande, que todos los auxi-

liares podran estar accionados con vapor y, por tanto, se podra evitar la energa elctrica.

A veces se prevn accionamientos de equipos auxiliares con motores elctricos y con turbinas de

vapor, lo que es particularmente apropiado para la puesta en servicio desde el estado fro de la planta.

Agua de alimentacin de la caldera.- Al aumentar la presin y temperatura de las unidades, confor-

me progresan los diseos, se tiene que incrementar tambin la calidad del agua del sistema, estando re-

lacionada la vida de la caldera con la misma; la necesidad de una adecuada calidad del agua se suele su-

bestimar con demasiada frecuencia, siendo el resultado las costosas retiradas de servicio para sustituir

las partes a presin afectadas.

Una calidad superior en el agua conduce siempre a un vapor de mayor calidad, lo cual es necesario

para una adecuada proteccin de los sobrecalentadores y turbinas.

La utilizacin de un condensador vertical de agua como atomizador constituy un paso fundamen-

tal para utilizar agua de alta calidad, evitando la contaminacin que se produca en el vapor cuando se

usaba el agua de alimentacin del ciclo para atemperar el vapor mediante la atomizacin. En la Fig

XXV.4 se representa una instalacin simple de este tipo de condensador.

La mxima concentracin de slidos permisible en el agua de la caldera, en relacin con la presin

de vapor a la salida de la unidad generadora, se indica en la Tabla XXV.1.

Fig XXV.4.- Sistema atemperador-condensador, que suministra agua pura a un atomizador de agua de atemperacinpor medio de un condensacin de vapor del caldern

XXV.-742

Control medioambiental.- Las emisiones atmosfricas procedentes de calderas industriales, se res-

tringen por diversas regulaciones. Los contaminantes a controlar comprenden, principalmente, el SO2,

el NOx y las partculas slidas; otros contaminantes se controlan en aplicaciones especiales, como en el

caso de plantas de energa a partir de basuras.

Tabla XXV.1.- Lmites del contenido de slidos en el agua de caldera, (ppm), para calderas con caldern

Pres. salida gener. vapor (psi) 0-300 301-450 451-600 601-750 751-900 901-1000 1001-1500 1501-2000Slidos totales (ppm) 3500 3000 2500 2000 1500 1250 1000 750Alcalinidad (total) 700 600 500 400 300 250 200 150Slidos en suspensin 300 250 150 100 60 40 20 10

Una caldera energtica puede estar equipada con los siguientes componentes:

- Quemadores de bajo NOx para limitar la formacin de este contaminante

- Precipitador electrosttico, para limitar las emisiones de ceniza volante en polvo a menos del 0,2%

- Sistema de desulfuracin de humos (FGD), por caliza hmeda, para la eliminacin del SO2

El control del SO2 en las plantas industriales se puede hacer por tres vertientes distintas:

- Combustin de combustibles con bajo contenido en S

- Eliminacin del SO2 durante el proceso de combustin, mediante la aplicacin, por ejemplo, de la tecnologa del lecho fluidificado

- Eliminacin del SO2 formado posteriormente a la combustin, por medio de la inyeccin de un absorbente en el hogar o mediante un tratamiento de desulfuracin de humos (FGD) por va seca o por va hmeda.

Cuando se queman combustibles con bajos contenidos en S se suelen emplear sistemas de desulfu-

racin de humos por va seca, utilizando la caliza como reactivo, combinados con filtros de sacos.

El control de los NOx se centra en limitar su formacin durante el proceso de combustin; en todo

caso, la tecnologa aplicada est ligada al sistema de combustin seleccionado, con:- Quemadores de bajo NOx para unidades de carbn pulverizado, aceite y gas

- Sistemas de airesecundario sobre el lecho para hogares mecnicos

- Combustin a baja temperatura en lechos fluidificados

En caso de necesidad, para una mayor depuracin se puede aadir un sistema de tratamiento post-

combustin de reduccin cataltica selectiva (SCR) y una reduccin no cataltica selectiva (SNCR)

En general, para la combustin de todos los combustibles, con excepcin de los gases limpios o de

fuelleos especiales, se requiere un control post-combustin de las partculas slidas emitidas, requisito

que se cumplimenta con el empleo de precipitadores electrostticos (ESP) o de filtros de saco.

XXV.2.- TIPOS DE CALDERAS PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

Caldera energtica Stirling (SPB).- Es una unidad colgada, con dos calderines y un paso nico de humos, Fig XXV.1, 5 y 6. En algunos casos resulta rentable sustituir el diseo de dos calderines por otro con un solo caldern y una unidad de caldera modular ms pequea, Fig XXV.5 y 7.

El hogar completo est refrigerado por agua, utilizando la construccin de paredes membrana, con-

figuradas por tubos de 3 (76,2 mm) de dimetro, separados 4 (101,5 mm) entre ejes, para funcionar

con tiro equilibrado o con hogar presurizado.

Los separadores-cicln de la mezcla vapor-agua se disponen como depuradores o secadores prima-

rios y secundarios del vapor en el interior del caldern, para facilitar una alta calidad de vapor seco, tal

como el que se necesita en los actuales diseos de sobrecalentadores y turbinas de vapor.XXV.-743

Fig XXV.5.- Calderas Stirling de dos calderines y un caldern, con colector de partculas

El hogar incluye un arco o bveda saliente que sirve para dirigir los humos hacia la seccin del so-

brecalentador y proteger a ste de la alta temperatura de radiacin del hogar.

Pueden quemar combustibles slidos, lquidos y gaseosos, y para adecuarse mejor a la combustin

particular de cada tipo, existen diversas configuraciones del hogar, Fig XXV.8, en las que:

- La parte inferior del hogar en forma de tolva se usa para el caso de quemar carbn pulverizado

- El hogar con fondo plano, se emplea para quemar gas o fuelleo

- El hogar con extremo inferior abierto se utiliza para recibir una parrilla de hogar mecnico; los combustibles pueden

ser carbn, madera, bagazo, biomasa, combustibles derivados de residuos y residuos slidos municipales, tal como se reciben

Los hogares para combustibles que tienen cantidades significativas de finos o altas humedades, tal

como ocurre con la madera, la biomasa, el bagazo y los combustibles derivados de residuos, se disean

siempre con hogares de bveda dual, (bvedas frontal y posterior), que ayudan a definir la zona de com-

bustin y permiten una mejor ubicacin de las boquillas de airesecundario, que son especialmente intere-

santes para combustibles slidos con gran cantidad de finos. Este diseo se desarroll y patent por

B&W como hogar con zona de combustin controlada (CCZ).

La caldera energtica Stirling (SPB) se equipa, adems, con un economizador y/o un calentador de

aire, para facilitar la recuperacin del calor desarrollado en el sistema.

Para muchos combustibles, el calentamiento del aire comburente es una cuestin importante; el

carbn pulverizado requiere aire caliente para secar el combustible, siendo imprescindible para una

buena combustin de combustibles hmedos, como la madera, el bagazo y la biomasa.

Existen otros diseos que atienden a casos especiales de combustibles, capacidades, presiones,

temperaturas, etc., que pueden constituir una alternativa. Las calderas energticas Stirling se disean

para cumplimentar unas condiciones especficas de vapor y de combustible, construyndose con una

serie de componentes prediseados que minimizan los costes de ingeniera y el tiempo de entrega.

La anchura y profundidad del hogar se proyectan con un incremento de 1 ft (0,3 m), de forma que

los sellos en las esquinas del hogar estn perfectamente determinados, Fig XXV.9.

La distancia entre ejes de los calderines est entre

16 a 32 ft 4,9 a 9,8 m

, lo que permite ubicar las puertas de

acceso, las aberturas de sopladores, las vigas tirantes y las plataformas.

La variedad de dimensiones permite disear con gran flexibilidad para satisfacer los requisitos pro-

pios de cada proyecto, en cuanto a:- Temperatura de humos a la salida del hogar

- Holguras o separacin entre quemadoresXXV.-744

Salida humos

Caldern de vapor

Economizador

Banco de caldera

Caldern inferior

Ventilador tiro inducido

Ventilador tiro forzadoHogar

Atemperador

Sobrecalentador

Alimentacin carbn

Fig XXV.6.- Caldera Stirling de dos calderines para combustin en hogar mecnico

Fig XXV.7.- Caldera Stirling (SPB) de un caldern, para combustin en hogar mecnico

XXV.-745

a) SPB 2 calderines b) SPB 2 calderines c) SPB 1 caldern, parrilla mecnica quema fuelleo y gas quema carbn pulverizado quema carbn

d) SPB 1 caldern, parrilla oscilante e) SPB 2 calderines hogar, parrilla mecnica quema basuras (MSW) quema combustibles derivados de residuos (RDF)

Fig XXV.8.- Algunas configuraciones de hogar de caldera energtica Stirling para diversos combustibles

Fig XXV.9.- Sellado de la esquina de un hogar

- Tiempo de residencia

- Tamao de la parrilla

- Velocidad de los humos

- Espaciado en conveccin, etc.

Caractersticas de diseo:

- Quema carbn pulverizado, fuelleo, gas: 150.000 a 1.200.000 lb/h 18,9 a 151,2 kg/s

- Presin de vapor, hasta 2.000 psig (138 bar)

- Hogar mecnico: 150.000 a 400.000 lb/h 18,9 a 50,4 kg/s

- Temperatura del vapor hasta 1.000F (538C)

- Hogar mecnico para madera/bagazo/biomasa: 180.000 a 600.000 lb/h 22,7 a 75,6 kg/s

XXV.-746

Caldera Towerpack.- Es una versin de la Stirling (SPB), diseada especficamente para las pe-queas cantidades de vapor requeridas en plantas industriales pequeas, Fig XXV.10; incorpora muchas

caractersticas constructivas de la (SPB), incluyendo las paredes membrana, los separadores cicln de

vapor-agua y las bvedas o arcos de paredes de hogar, especficos para quemar madera o biomasa. Es el

diseo preferido para bajas capacidades de vapor, y combustibles slidos difciles de quemar, como la

madera, la biomasa y el carbn troceado. Tiene dos calderines y es una unidad apoyada en el suelo.

Caldera ensamblada en taller:

Capacidad: 20.000 a 60.000 lb/h = (2,52 a 7,56 kg/s) Presin de vapor: 150 a 1000 psig = (1,03 a 6,9 MPa) Temperatura del vapor saturado: 750F (399C)

Caldera levantada in situ:


Caldera de alta capacidad:


Fig XXV.10.- Caldera Towerpack

Caldera (PFI).- Es una unidad de dos calderines, apoyada en el suelo, con paso mltiple de humos y diseada para quemar combustibles lquidos y gaseosos, Fig XXV.11 y 12. Debido a la extensin del ce-

rramiento del hogar, la caldera (PFI) es idnea para combustibles subproductos, como el gas de horno

alto (BFG), el gas de coke (COG) y el CO de pirolizador cataltico de refinera.

El hogar resulta adecuado para

unidades de tiro equilibrado hogares presurizados

, y est completamente refrigerado por

agua; en su construccin se utiliza la pared membrana, configurada con tubos de 2,5 (63,5 mm) de

dimetro, y una separacin entre ejes de 3 (76,2 mm).

La Caldera (PFI) ensambla en taller todos sus componentes.

- El hogar se puede transportar de forma que los paneles de pared membrana, con sus colectores superior e inferior com-XXV.-747

pletamente ensamblados; son dos paneles para cada una de las paredes laterales y otros dos para cada uno de los componen-

tes de techo, pared frontal y suelo

- Las gargantas de los quemadores estn integradas en los paneles de la pared frontal

- La unidad est apoyada sobre pilares de hormign e incorpora un sobrecalentador purgable

- Una cmara de aire que:

envuelve la parte superior de la pared frontal, techo y pared posterior sirve como conducto de aire hasta la caja de aire a quemadores cuenta con una placa divisora en la parte posterior, como salida de humos

- Para obtener una temperatura econmica a la salida de los humos y recuperar el calor residual se usa un calentador de

aire o un economizador

El diseo es semejante a un paso de humos a todo lo largo del banco tubular de la caldera, en el que

los humos fluyen horizontal y paralelamente a los calderines, a travs del banco; para dirigir los humos

a travs de los tubos se utiliza un deflector, en paso mltiple, que maximiza la transferencia de calor.

Detrs de una pantalla a la salida del hogar, se sita un sobrecalentador de bucle invertido, purga-

ble, de forma que quede protegido de la radiacin directa procedente del hogar; su ubicacin facilita la

transferencia de calor semiradiante, con la que se obtiene, en todo el intervalo de cargas, una curva de

variacin de temperatura relativamente plana, que minimiza la atemperacin para el adecuado control

de la temperatura del vapor.

Fig XXV.11.- Circulacin de humos en calderas PFI y PFT

XXV.-748

Fig XXV.12.- Caldera con hogar integrado tipo PFI

En el interior del caldern se incluyen ciclones separadores de vapor, con secadores depuradores pri-

marios y secundarios, para producir un vapor con la calidad que se exige en los actuales sobrecalentado-

res y turbinas.

Las unidades disponen de tres distancias entre ejes de calderines, correspondiendo cada una de ellas

a una determinada profundidad del hogar, existiendo para cada distancia tres o cuatro anchos posibles

del hogar.


Presin de vapor hasta 1.150 psig ( 80 bar )

Capacidad 100.000 a 500.000 lb/h 12,6 a 63,0 kg/s

, (11 tamaos )

Temperatura hasta 950F ( 510C )

Caldera (PFT).- Incorpora muchas de las caractersticas constructivas especficas de la caldera PFI y se ha desarrollado como una prolongacin del diseo de la misma, para asumir el desarrollo de los

ciclos de turbina de vapor a alta temperatura y presin:- Tiene dos calderines

- Es de tipo apoyada

- Cuenta con paredes membrana en el hogar configuradas con tubos de 3 (76,2 mm) separados entre ejes 4 (101,6 mm)

- Lleva ciclones separadores en el caldern

- Dispone de un sobrecalentador purgable, Fig XXV.13

Algunas de las diferencias radican en un sobrecalentador alternativo colgado (no purgable) y a un

recorrido del flujo de humos que cubre todo el ancho del banco de caldera, con flujos en direccin vertical.

Las unidades PFT son particularmente aptas para quemar combustibles lquidos, con un elevado

contenido en ceniza, gas de horno alto y CO, ya que las cavidades existentes facilitan el espacio para co-

locar los sopladores retrctiles requeridos para la limpieza.

Se disea con dos distancias entre ejes de calderines y con varias profundidades y anchuras de ho-

gar, para satisfacer el amplio campo de capacidades caracterstico de este diseo.


Presin de vapor hasta 1.800 psig ( 125 bar )

Capacidad 300.000 a 800.000 lb/h 37,8 a 100,8 kg/s

, ( 37 tamaos )

Temperatura hasta 1000F ( 538C )

XXV.-749

Caldern de vapor

Salida de gases

Caldern inferior

Quemadores

Banco caldera Pantalla tubular

Sobrecalentador

Hogar

Caldern de vapor

Chimenea

Economizador

Banco caldera

Sobrecalentador

Tubos pantalla

Hogar

Quemadores

Fig XXV.13.- Calderas con hogar integrado PFT

XXV.-750

Caldera (FM).- Es una unidad montada completamente en taller y transportable por ferrocarril; tiene dos calderines, y es de tipo soportada, Fig XXV.14. Es un diseo que tiene el hogar a un lado de la

unidad y el banco de caldera al otro lado de la misma, separados por una pared deflectora.

El fuego se desarrolla paralelamente a los ejes de los calderines, hacia la pared posterior, en la que

los humos giran 180 y, a continuacin, fluyen hacia la salida

Muchas unidades estn equipadas con un economizador o con un calentador de aire.

El hogar presurizado es estanco a gases y cuentan slo con un ventilador de tiro forzado.

Para unidades pequeas que operan con presiones en el hogar relativamente bajas, se utiliza una

construccin de hogar claveteada y una envolvente interna.


- Capacidad 10.000 a 260.000 lb/h1,3 a 32,8 kg/s

- Presin de vapor 1250 psig (8,62 bar), para una capacidad < 30.000 lb/h 3,8 kg/s

- Temperatura del vapor 800F (427C) para fuelleo 850F (454C) para gas natural

unidades mayores que operan con presiones en el hogar ms altas, se emplean hogares de paredes

membrana; estn diseadas para diferentes tamaos que puedan satisfacer las capacidades asignadas

a las mismas, siendo la profundidad del hogar el nico parmetro variable para cada tamao.

Fig XXV.14.- Caldera con hogar integrado (Package) tipo FM. Detalle de tuberas membrana

XXV.-751

Fig XXV.15.- Calderines utilizados en las calderas (Package) tipo FM

Calderas de alta capacidad (HCFM).- Son derivaciones del diseo de la caldera (FM), Fig

XXV.16; se pueden ensamblar en el muelle de carga y descargar, tras el transporte de sus componentes,

en el lugar de implantacin; sus dimensiones requieren que el transporte sea naval. El diseo de estas unidades est orientado a la combustin de fuelleos y gases y se dotan con ho-

gares presurizados configurados por paredes membrana. Para incrementar su capacidad se utilizan

quemadores mltiples. Al igual que la caldera (FM), se disean para diversas profundidades de hogar,

que es el nico parmetro variable.


Presi n del vapor hasta 1.050 psig (73 bar )

Capacidad 200.000 350.000 lb/h 25,2 44,1 kg/seg

Temperatura del vapor hasta 825F ( 441C )

Fig XXV.16.- Caldera (HCFM) de alta capacidad Fig XXV.17.- Caldera PFM

CALDERA (PFM).- Es una caldera tipo (FM), Fig XXV.17, de mayor capacidad y elevada presin, diseada para su ensamblaje en muelle o en el lugar de implantacin y que se transporta en barco. Este

diseo quema tambin gas y fuelleo y cuenta con un hogar presurizado configurado por paredes mem-

brana. Para alcanzar un incremento en su capacidad se emplean quemadores mltiples.

La profundidad del hogar es el nico parmetro constructivo.


Capacidad 200.000 600.000 lb/h 25,2 75,6) kg/s

Presin de vapor hasta 1.800 psig (125 bar) Temperatura del vapor hasta 900F (482C)

XXV.-752

Calderas de lecho fluidificado.- Estas calderas de lecho fluido, ofrecen un concepto singular de combustin en un lecho especfico que controla el proceso de combustin y, cuando se requiera, el de las

emisiones de SO2 y NOx.

Para la combustin en un lecho fluidificado existen dos opciones:- La caldera de lecho fluidificado circulante (CFB), que se utiliza en calderas nuevas, para muchas aplicaciones

- La caldera de lecho fluidificado burbujeante (BFB), que se utiliza en aplicaciones especficas de modernizacin y remo-

delacin de calderas obsoletas

Caldera de lecho fluidificado circulante (CFB).- Es una caldera apoyada por su parte inferior; tiene uno o dos calderines, dependiendo de la necesidad de disponer de un banco vaporizador para la ab-

sorcin del calor; el combustible se alimenta por la parte inferior del hogar, Fig XXV.18.19 mediante:- Tornillos

- Alimentadores de cadena

- Boquillas o espitas de chorro de aire, segn el combustible de que se trate

Fig XXV.18.- Ejemplo de caldera CFB de un caldern, 94 MWt, 33,4 kg/seg, 89 bars, 480C de Foster Wheeler

Cuando se requiere eliminar el SO2 el material del lecho es caliza y si no, arena. La cantidad de ma-

terial circulante del lecho es varias veces superior a la cantidad de combustible presente en la unidad.

Los slidos totales en humos que ascienden por el hogar, son funcin de la cantidad de calor que se

absorben por las paredes de agua.

Modificando la densidad del lecho se obtiene la temperatura necesaria para maximizar la elimina-

cin del SO2, del orden de 1550F (843C).

Los humos cargados de slidos salen del hogar hacia unos separadores de partculas, configurados

por vigas en U; el 98% de las partculas slidas separadas, caen a lo largo de los perfiles en U a una tol-

va y se reciclan hacia el hogar, siendo controladas por una vlvula en L, a fin de facilitar el flujo necesa-

rio para mantener la temperatura y densidad del lecho fluidificado requeridas.

Los humos que salen de la seccin de vigas en U, se dirigen a las superficies de conveccin, anlogas

a las de otros diseos de calderas. La caldera (CFB) se ha seleccionado para aplicaciones con combusti-

bles de elevado contenido en S (coque de petrleo, carbn, lodos de tanques de combustible, breas de

aceites, etc) y para otras aplicaciones con maderas y combustibles de biomasa.XXV.-753

Tolva salida arena

Silo medida madera

Conducto aire terciario

Conducto aire secundario

Inyector combustible madera

Cmara de aire

Conducto aire primario

Hogar

Vlvula L

Ventilador tiro forzado

Calentador aire tubular

Salida humos

Economizador

Sobrecalentador secundario

Sobrecalentador primario

Paso conveccin

Entrada aire

Vigas U

Caldern de vapor

Fig XXV.19.- Caldera de lecho fluidificado circulante CFB a presin atmosfrica para combustin de madera

Como consecuencia de operar a una temperatura mucha menor que la correspondiente a una com-

bustin convencional, la caldera de lecho fluidificado circulante (CFB) genera del orden de la mitad de los

NOx que las dems calderas industriales, alimentadas con similares combustibles slidos.

La caldera de lecho fluidificado circulante (CFB) constituye una alternativa a la caldera energtica

Stirling (SPB), sea sta de carbn pulverizado o con hogar mecnico, que frecuentemente est equipada,

para eliminar el SO2, con un depurador y con un equipo de reduccin cataltica o no cataltica, dotado con

la correspondiente inyeccin de amoniaco con vistas a la reduccin de los NOx. La eleccin de estas tec-

nologas requiere evaluar un determinado nmero de factores, entre los que se incluyen: - La eliminacin de emisiones

- El coste del combustible, reactivos y de inversin

- Caractersticas de diseo:

Presin de vapor hasta 1.850 psig (129 bar)

Capacidad 700.000 a 1.000.000 lb/h 88,2 a 126 kg/s

Temperatura del vapor hasta 1000F (538C)

Caldera de lecho fluidificado burbujeante (BFB).- En algunos de sus elementos componentes es similar a la caldera (CFB). Va suspendida, puede tener uno o dos calderines y quemar una amplia va-

riedad de combustibles, con notable limpieza y eficiencia, Fig XXV 20,21,22.

En la caldera burbujeante (BFB) la velocidad del aire se mantiene lo suficientemente baja, para que

el material del lecho (con la excepcin de los finos elutriados) se mantenga en la parte inferior de la uni-

dad; es decir, los slidos no circulan por el resto del cerramiento del hogar.

Esta caracterstica es particularmente atractiva para las aplicaciones de modernizacin (remode-

lacin y reequipamiento), en las que la parte inferior del hogar existente se puede retirar y sustituir por

XXV.-754

un lecho (BFB,) sin modificaciones importantes en el res-

to del hogar, en los cerramientos del paso de conveccin y

en las superficies termointercambiadoras.

Estas reconversiones han permitido recuperar el nivel de

la capacidad perdida por alguna caldera, como consecuen-

cia de

Un cambio de combustible Un cambio en las caractersticas de las cenizas

Las modernizaciones de calderas industriales y de peque-

as calderas energticas de servicio pblico, permiten re-

ducir las emisiones de SO2 y NOx. En calderas nuevas, el

lecho fluidificado burbujeante (BFB) est particularmen-

te indicado para combustibles residuales con alta hume-

dad, como son los lodos cloacales y otros lodos de molinos

de pulpa y de papel y de plantas de reciclado de papel.

Fig XXV.21.- Caldera de lecho fluido burbujeante BFB que quema carbn y lodos

Tabla XXV.2.- Anlisis de los combustibles carbn y lodos para la Fig XXV.21

Carbn Lodos% Carbono en peso 77 14,7

Hidrgeno 5 1,8Nitrgeno 1 0,35Oxgeno 7 17,5Azufre 1 0,05Ceniza 5 18,6

Humedad 3,5 47,5Poder calorfico 13300 Btu/lb 2100 Btu/lb

30936 kJ/kg 4885 kJ/kg

XXV.-755

Fig XXV.20.- Ejemplo de caldera BFB de un caldern, 30,8 MWt, 11,9 kg/seg, 80 bars, 480C, de Foster Wheeler

Fig XXV.22.- Reequipamiento sobre caldera de lecho fluido burbujeante BFB a presin atmosfrica

Tabla XXV.3.- Caractersticas de la caldera y del combustible

Componente Funcionamiento normal Funcionamiento normal Funcionamiento normal FuturoVapor lb/hora 60.000 45.000 30.000 60.000

kg/seg 7,56 5,67 3,78 7,56Temperatura del vapor F 750 750 735 750

C 399 399 391 399Carbn lb/hora 3.973 3.128 1.608 4.158

kg/seg 0,5 0,4 0,2 0,52Lodos Tons seco/da 100 100 100 140

Tm/da 90,7 90,7 90,7 127N gas lb/hora 448 23 0 0

kg/seg 0,056 0,003 0 0Aire al hogar lb/hora 165.400 137.500 96.500 189.100

kg/seg 20,8 17,3 12,2 23,6FGR en el lecho lb/hora 44.000 33.500 15.500 44.500

kg/seg 5,5 4,2 2 5,6Flujo de gases lb/hora 161.800 137.000 102.800 178.600

kg/seg 20,4 17,3 13 22,5Carga de polvo lb/hora 3.608 3.486 3.266 3.845

kg/seg 0,5 0,4 0,4 0,6Temperatura flujo de gases F 335 330 320 350

C 168 166 160 177

Caldera para extraccin mejorada de aceite (EOR).- Es una unidad que se ha desarrollado para cubrir una singular necesidad del mercado, como se desprende de su propia denominacin, Fig

XXV.23. La caldera produce vapor hmedo x = 0,8, a la presin necesaria (alta) con que se inyecta en los

estratos que contienen los aceites pesados que se desean extraer. El vapor mejora la extraccin de estos

aceites mediante el calentamiento de los petrleos pesados, con lo que se reduce su viscosidad y, por

tanto, ayuda al movimiento del aceite hacia los pozos de produccin.

En esta caldera se utiliza un circuito de un paso agua-vapor, o proceso directo de vaporizacin.

El agua de alimentacin fluye continuamente por un circuito tubular simple a travs de la seccin

del economizador, hacia la seccin del hogar, en el que el agua se vaporiza hasta alcanzar el ttulo de va-

XXV.-756

por 0,8. Si la llama se mantiene bien separada de las paredes del hogar y se utilizan bajos regmenes de

liberacin de calor, se puede tolerar un agua de alimentacin relativamente mala (con 100.000 ppm de

slidos), por lo que slo se precisa de un mnimo tratamiento de este agua de alimentacin, al tiempo que

el agua que se separa del aceite se puede reciclar hacia la caldera, con una mnima limpieza.

El control del proceso se completa mediante:

- El bombeo del agua de alimentacin requerida hacia el economizador, hasta la presin de 2500 psig (173 bar)

- La regulacin del rgimen de fuegos del quemador, para mantener el ttulo del vapor (x = 0,8) a la salida de la unidad

Fig XXV.23.- Caldera para extraccin mejorada de aceite (EOR)

Las unidades se proyectan en tamaos desde

(5 a 50).106 Btu/h 1,5 a 14,7 MWt

a la salida de la unidad.

Las unidades pequeas se pueden ensamblar completamente en taller, hasta una capacidad de

40.106 Btu/h (11,7 MWt) y se montan sobre una plataforma remolque, para su transporte en una sola

pieza.

Las unidades ms grandes se ensamblan en taller, en varias secciones que, posteriormente, se

montan en el lugar de instalacin.


Capacidad hasta 48.000 lb/h, ( 6 kg/s ) Presi n de vapor hasta 2.500 psig ( 172 bar )

XXV.-757

Documents

Diseño de calderas industriales