CALDERAS INDUSTRIALES

XXV.- DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES

http://libros.redsauce.net/

Las calderas industriales tienen, en general, características de diseño distintas de las calderas ener- géticas; se construyen en un amplio campo de tamaños, presiones y temperaturas, desde las de vapor

saturado a

 2 psig (1,2 bar)

 218ºF (103ºC)

, que se utilizan para caldeos de todo tipo, hasta las de  1800 psig (125 bar) ,

 1000ºF (538ºC)

para plantas generadoras de electricidad.

Las calderas industriales suministran vapor para más de una aplicación; en determinadas cir- cunstancias la demanda de vapor puede ser cíclica 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 circulación natural, con excepción de las viejas unidades remodeladas con lechos fluidificados burbujeantes y las grandes calde- ras con gran capacidad de generación de vapor.

Las grandes calderas para generación de electricidad, se diseñan para quemar carbón pulverizado o troceado, aceite, gas o una combinación de aceite o gas con un combustible sólido determinado.

Las calderas industriales se diseñan para los combustibles anteriores y también para quemar en hogares mecánicos, carbón 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 batería de coque

- Productos clásicos de la industria del petróleo, como CO, gas de refinería y coque de petróleo

- Productos de la agricultura como el bagazo de los molinos de azúcar, cáscaras de cacahuete, posos de café, etc

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

- Residuos sólidos municipales, basuras

Los parámetros que especifican las calderas industriales son:

- Presión de vapor

- Temperatura e intervalo de control

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

- Temperatura y calidad del agua de alimentación

- Capacidad de reserva y número de unidades

- Combustibles y sus propiedades

- Características de las cenizas

- Preferencias en métodos de combustión

- Límites de emisiones medioambientales SO2, NOx, partículas sólidas, otras

- Espacio del emplazamiento y limitaciones en accesos

- Auxiliares, requisitos de operadores y base de evaluación

XXV.1.- EQUIPO GENERADOR DE VAPOR

Una de las características constructivas que distingue a la mayoría de las calderas industriales, es la gran superficie del banco de caldera de agua saturada (superficie vaporizadora), dispuesta entre el calderín superior y el calderín inferior, Fig XXV.1 y 4.

El objetivo del banco tubular de la caldera radica en calentar el agua de alimentación que entra en la caldera hasta la temperatura de saturación y, a continuación, vaporizarla al mismo tiempo que en- fría los humos hasta una temperatura de salida económicamente razonable.

En las calderas de baja presión, en el interior del recinto del hogar no existe la suficiente superficie de caldeo para que se pueda absorber la energía necesaria para llevar a cabo el calentamiento y la va- porización, 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 presión en el generador de vapor aumenta, Fig XXV.2, la absorción de calor requerida para la vaporización del agua disminuye, al tiempo que aumenta la absorción de calor por parte del so-

brecalentador.

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

Fig XXV.1b.- Esquema de instalación energética para carbón pulverizado con equipos de control medioambiental

Fig XXV.2.- Efecto de la presión del sistema sobre la vaporización, en caldera industrial con sobrecalentamiento constante de 100ºF (56ºC)

En algunas unidades industriales modernas de muy alta presión, se instala un módulo de caldera más pequeño, independiente del calderín de vapor, que efectúa la misma función que el banco de caldera, pero a menos coste, Fig XXV. 5.

Se puede utilizar también un economizador o un calentador de aire comburente, aguas abajo del banco de caldera, para reducir aún más 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 utilización, 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 calentamiento

Transitoria, fluctuando amplia y rápidamente

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

- Flujo máximo continuo

- Flujo mínimo

- Régimen de cambio de flujo

La carga punta determina la capacidad máxima 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 máximo que se pueden soportar. En la mayoría de los casos, las puntas de corta duración se cubren con el almacenamiento de calor, inercia térmica asociada al equipo generador de vapor.

Vapor para procesos y calentamientos.- La presión de vapor saturado para procesos de calenta- miento es aquella para la que la correspondiente temperatura de condensación del vapor es ligeramente superior a la temperatura requerida en los materiales o productos a calentar; la utilización 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 recuperación o desvulcanización del caucho es un proceso de calentamiento con va-

por, en el que el caucho se calienta, en una solución ácida a 400ºF (204ºC), con un vapor saturado en

fase de condensación a  250 psig (182,



bar)

en la camisa del desvulcanizador.

Para el calentamiento de grandes espacios en edificios, la presión del vapor saturado va desde 2 psig (1,2 bar), hasta 80 psig (6,5 bar).

Es raro distribuir vapor mediante tuberías largas con presiones inferiores a 150 psig (11,4 bar), de- bido al coste de las tuberías.

Los requisitos del vapor dentro del recinto de la caldera, en sopladores, bombas de alimentación y otros auxiliares, aconsejan hacer funcionar a las calderas a una presión mínima de 125 psig (9,6 bar), existiendo muy pocas plantas de vapor que operen por debajo de esta presión.

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

sitúa 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 presión de 250 psig (18,2 bar) en calderas de tubos de pequeño diá- metro.

En calderas estacionarias y domésticas, la presión de operación se mantiene prácticamente cons- tante en todo el campo de cargas, de modo que en estas condiciones se satisfagan todos los requisitos de presión y flujo de los diversos equipos que utilicen el vapor; el diseño de los aparatos para el control auto- mático de la combustión se hace conforme a este supuesto operativo.

Servicio combinado de calor y energía.- Muchas operaciones de fabricación precisan energías mecá- nica, eléctrica y vapor para calentamiento, como las que se presentan en las industria papelera y textil, en las de producción de productos químicos 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 energía eléctrica se compra al exterior y el vapor se genera en la misma para cumplimentar los requisitos de calentamiento

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

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

- Las necesidades de vapor y de energía eléctrica

- La posibilidad de correlacionar estos requisitos

- Los estudios económicos

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

el

...