Calderas Industriales

CALDERAS INDUSTRIALES

I. HISTORIA:

Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias.

Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua). Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamada marmita en 1769.

Luego de otras experiencias, James Watt completó en 1776 una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

II. CALDERA INDUSTRIAL:

Las calderas industriales tienen, en general, características de diseño distintas de las calderas energéticas; se construyen en un amplio campo de tamaños, presiones y temperaturas, desde las de vapor saturado a (2 psig 1,2 barómetros-2,18 °F(103°C) , que se utilizan para caldeos de todo tipo, hasta las de (1800 psig (125) barómetros-1000°F (538°C) para plantas generadoras de electricidad.

Las calderas industriales suministran vapor para más de una aplicación; en determinadas circunstancias 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 calderas 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, contribuyendo significativamente al rendimiento operativo de la planta, y reduciendo el coste del producto, como:

 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.

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 vaporizador), dispuesta entre el calderín superior y el calderín inferior.

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 enfría 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 vaporización, por lo que se dispone otro banco de caldera, en el seno del flujo de humos, aguas abajo del hogar y del sobre calentador (si existe), que se encarga de ofrecer la superficie termo intercambiadora que se precise.

Sistema de caldera energética Stirling para carbón pulverizado de dos calderines, con equipo de control medioambiental

Esquema de instalación energética para carbón pulverizado con equipos de control medioambiental

Efecto de la presión del sistema sobre la vaporización, en caldera industrial, con sobre calentamiento 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.

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.

1. 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 condiciones 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 equipos 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.

2. Vapor para procesos y calentamientos.- La presión de vapor saturado para procesos de calentamiento 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 sobrecalentado no tiene sentido para este tipo de servicio y, frecuentemente, es indeseable por interferir en el control de la temperatura.

En calderas estacionarias y domésticas, la presión de operación se mantiene prácticamente constante 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 automático de la combustión se hace conforme a este supuesto operativo.

3. Servicio combinado de calor y energía.- Muchas operaciones de fabricación precisan energías mecánica, 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 sistema de condensación, por lo que es posible que resulte más económico comprar energía eléctrica a una fuente proveedora exterior, cuando esté a precios razonables, excepto cuando exista disponible calor residual a bajo coste en la misma planta, así como subproductos combustibles, bagazo, gas de horno alto, aserrín o madera triturada, gases calientes, etc.

o Para la cogeneración se usan dos procedimientos:

Cuando en un lugar hay gas natural barato y disponible, para la generación de electricidad se puede utilizar una turbina de gas, empleando el calor

...