AO DE LA CONSOLIDACIN ECONMICA Y SOCIAL DEL PER

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ENERGIA

ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERIA DE ENERGIA

CURSO: TERMODINAMICA 1

TEMA: PROCESO DE FLUJO ESTACIONARIO Y UNIFORME

PROFESOR: ING. DARIO VASQUEZ ALVA

ALUMNOS: RAMOS-CCOPA, YOEL CRISTHIAN 092929B TAVARA CIEZA, ABEL FRANKLIN 1417240019

VEGA ORDOEZ, JAMY GIANMARCO 1027120407

YUCRA YUCRA, ELMER 1029120447BELLAVISTA CALLAO

2015CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO

1.- TECNOLOGA DE LA COMBUSTIN EN LECHO FLUIDIFICADO

La tecnologa de la combustin en lecho fluidificado (FBC) presenta diversas ventajas para la generacin de vapor, en la: - combustin de combustibles slidos - recuperacin de energa de otros procesos . - combustin de combustibles residuales El proceso consiste en una mezcla de partculas slidas suspendidas en un flujo gaseoso ascendente, que en conjunto presenta propiedades fluidas.

La combustin tiene lugar en el lecho con: -altas transferencias calorficas al hogar de la unidad -bajas temperaturas de combustin las ventajas del proceso radican en:

-la flexibilidad del combustible a utilizar -las reducidas emisiones que se producen Para visualizar el proceso de fluidificacin, se presenta un recipiente que tiene, en su parte inferior, una cmara de suministro de aire coronada por una placa distribuidora que asegura el flujo de aire a travs del lecho. La cmara superior, por encima del nivel del lecho, est llena de arena o de un material granular de forma que:

a) Placa distribuidora b) Lecho esttico c) Fluidificacin mnima d) Lecho burbujeante e) Lecho circulante .1.- Condiciones tpicas de lecho fluidificado -Se hace circular un pequeo flujo de aire a travs de la placa distribuidora hacia la arena esttica que tiene encima, pasando por los huecos de la misma. A bajas velocidades del flujo de aire, la fuerza que se ejerce sobre las partculas de arena no es grande, por lo que stas permanecen estticas, lo que caracteriza el lecho fijo o colapsado, representado en la Fig.1b -Al aumentar el flujo de aire, el fluido ejerce una fuerza mayor sobre las partculas de arena reduciendo la fuerza de contacto entre las mismas, llegndose a un equilibrio entre las fuerzas de arrastre y gravedad, momento en el que las partculas quedan en suspensin dentro del flujo ascendente de aire - El instante en el que el lecho comienza a comportarse como un fluido caracteriza la condicin mnima de fluidificacin que, una vez superada, Fig.1c, presenta un incremento del volumen del lecho, respecto al del lecho no fluidificado -Si el flujo de aire sigue aumentando, el lecho se hace menos uniforme y se forman burbujas de aire, por lo que el lecho comienza a ser algo turbulento (etapa de lecho burbujeante), Fig.1d. En esta situacin, el volumen ocupado por la mez-cla (slidos + aire) se incrementa de forma importante, observndose un nivel de lecho perceptible y una transicin entre el le-cho y su espacio superior perfectamente difana - Al incrementar an ms el flujo de aire, las burbujas se hacen ms grandes y se empiezan a combinar entre s, configurando grandes huecos en el seno del lecho, al tiempo que los slidos presentes estn en contacto como grupos altamente concen-trados, (lecho fluidificado turbulento) -Si a la salida del recinto los slidos se capturan y devuelven al lecho, se dice que circulan a lo largo de un bucle; esta etapa se identifica como lecho fluidificado circulante, Fig.1e En el lecho fluidificado circulante, al contrario que en el lecho burbujeante, no hay una clara transi-cin entre el lecho denso del fondo del recipiente y la zona diluida superior, decreciendo gradualmente la concentracin de slidos entre estas dos regiones.

El peso de los slidos recirculados desde la salida del recinto hacia la zona del lecho es del orden de cientos de veces el peso del aire que fluye por el sistema, siendo la cantidad de slidos en el recipiente proporcional a la cantidad de arena recirculada desde el separador de partculas, por lo que la presin diferencial

aumenta hasta alcanzar el valor necesario para mantener los slidos en el recipiente vara entre la parte superior e inferior del recipiente con el flujo de aire, Fig.2

Fig.2.- Influencia de la velocidad del aire sobre la cada de presin a travs del lecho a) Para flujos de aire bajos, la presin diferencial depende slo de la masa de arena existente en el lecho, y aumenta con el flujo de aire hasta alcanzar la velocidad de fluidificacin mnima, en que la arena est en suspensin dentro del flujo de aire, (lecho esttico) b) Para flujos de aire mayores la presin diferencial es constante, hasta que su velocidad se hace lo suficientemente alta como para arrastrar la arena fuera del recipiente, (lecho burbujeante y turbulento) c) Para flujos de aire mucho mayores, la presin diferencial decrece conforme el sistema pierde masa, (lecho arrastrado)

De las condiciones de fluidificacin descritas, para la produccin de vapor en plantas termoelctricas slo se utilizan los lechos burbujeantes y los lechos circulantes.

Antecedentes.-Una de las aplicaciones ms antiguas del lecho fluidificado utilizaba el carbn como materia prima granular. El proceso de gasificacin del carbn en lecho fluidificado de Fritz Winkler (1920), se utiliz comercialmente para producir gas a partir del carbn que se utilizaba como combusti-ble, o como materia prima para procesos qumicos; en la actualidad para producir gas de sntesis, la in-dustria ha encontrado otras alternativas al proceso Winkler, ms fciles y baratas, a partir de gas na-tural o fuelleos. Otros trabajos de investigacin (1930/40) pusieron de relieve las ventajas del lecho flui-dificado y del pirolizador cataltico de fluidos (reactor slidos-gas) para la obtencin de gasolinas y otros productos petrolferos.

Fig XVI.3.- Planta de ensayo de 2,5 MWt para combustin en lecho fluidificado En la dcada de 1960, para reducir las emisiones de SO2 y de NOx en las plantas termoelctricas, se empez a considerar que los procesos de combustin en lecho fluidificado ofrecan la posibilidad de re-ducirlas y fue a partir de aqu cuando comenz el desarrollo de la caldera de lecho fluidificado quemando carbn.

En la dcada de 1970 se realizan estudios para evaluar, en las grandes unidades generadoras de va-por de las plantas termoelctricas, la aplicacin de la combustin en lecho fluidificado a presin atmos-frica, (lecho fluido atmosfrico). En 1977 se construy y puso en funcionamiento una unidad de lecho burbujeante de 6 x 6 ft (1,8 x 1,8 m), cuyos resultados han contribuido al avance de la tecnologa de cal-deras de lechos fluidificados burbujeantes atmosfricos. Entre las ltimas aplicaciones de lechos burbu-jeantes alimentados con carbn, se encuentran algunos reequipamientos de remodelacin y moderniza-cin de antiguas calderas de vapor, que estn todava en explotacin. A finales de la dcada de 1980, uti-lizando los conocimientos que se tenan sobre lechos burbujeantes y tcnicas de Studsvick AB, el mer-cado de calderas de lecho fluido quemando carbn se decant por los lechos circulantes.

Comparacin con otros mtodos de combustin.-Las cmaras de combustin de lecho fluido se utilizan para quemar cualquier tipo de combustible slido.

En un hogar convencional que quema carbn pulverizado, el proceso de combustin consiste en la oxidacin de las partculas de combustible (el 70% pasan por el tamiz de 200 mesh), suspendidas en los flujos de aire y humos que existen en el hogar. El volumen de humos que rodea los quemadores es la zona

ms caliente del hogar, con temperaturas del orden de

3000 a 3500F 1650 a 1927C , siendo el tiempo de residencia de

las partculas en el hogar el mismo que el de los humos.

En los hogares mecnicos se queman partculas de combustible mucho mayores que las utilizadas en las calderas de carbn pulverizado, siendo el tamao normal de carbones bituminosos del orden de 1 1,25= (25,4 31,8 mm). La mayor parte del combustible se quema sobre algn tipo de parrilla m-vil, con aire y gases pasando a travs del lecho de combustible; la temperatura supera los 3000F (1650C) y el tiempo de residencia queda determinado por la velocidad correspondiente a la parrilla mvil del hogar.

Para la combustin en lechos fluidificados, el tamao del combustible se sita entre el del carbn pulverizado y el del hogar mecnico; para un lecho fluido, el carbn se trocea a un tamao menor de

superiores a 1, 25" (31,8 mm) inferiores a 0, 125" (3,18 mm) 0,25(6,4 mm), pudindose utilizar segn las propiedades del carbn tamaos

El carbn se alimenta por la parte baja del hogar.

La densidad del lecho burbujeante es de 45 lb/ft3 (721 kg/m3) La densidad del lecho circulante es de 35 lb/ft3 (561 kg/m3)

1500 a 1600F 816 a 871CLos slidos, en el flujo ascensional de aire y gases, se mantienen a una temperatura de Cuando el combustible se introduce en el lecho se calienta rpidamente y, superada su temperatura de ignicin, se enciende y pasa a formar parte de la masa incandescente del hogar.

Los flujos de aire y combustible hacia el lecho denso, en rgimen permanente, se controlan de forma que en la combustin se libere la cantidad de calor deseada hacia el hogar, quemndose el combustible en un aireexceso del orden del 20%.

Como consecuencia

del gran tiempo de residencia del combustible de la alta temperatura del proceso de transferencia de masa , el combustible se puede

quemar eficientemente en el hogar de lecho fluidificado, a una temperatura considerablemente inferior a la de los procesos convencionales. Las partculas de combustible se quedan en el lecho denso, hasta que son arrastradas por los gases o se eliminan con los slidos purgados.

El tamao de las partculas, conforme arden, se reduce hasta alcanzar uno determinado, en el que se igualan su velocidad y la de los humos, producindose a partir de este instante el arrastre de partcu-las, por lo que el tiempo de residencia depender del tamao inicial de la partcula de combustible y del rgimen de reduccin de su tamao por combustin y friccin.

En los lechos fluidificados burbujeantes, la combustin tiene lugar en el lecho, debido a la menor ve-locidad de los humos y al mayor tamao del combustible alimentado. El tiempo de residencia de las par-tculas finas del combustible arrastradas por los humos fuera del lecho, aumenta por medio de la capta-cin y reciclado de las partculas hacia el hogar.

En los lechos circulantes las partculas que abandonan el lecho, en comparacin con los burbujean-tes, es mucho mayor, (ya que para los lechos circulantes se trata de un lecho flotante), lo que justifica el que las partculas se recuperen mediante un colector de polvo y se recirculen hacia el hogar. El tiempo de residencia de las partculas depende de la recuperacin del colector y del reciclado de slidos, y excede mucho del tiempo de residencia de los humos.

La concentracin de combustible en el lecho denso es baja; por ejemplo:

-Para un combustible como la madera es difcil encontrar en el lecho una cantidad de C medible -Cuando se quema carbn bituminoso el contenido de C en el lecho es inferior al 1% - Cuando se utiliza un absorbente para la captura del S, la porcin del lecho restante est constituida por ceniza, cal y sulfato clcico -Cuando no se emplean absorbentes, est formada por arena u otro material La eficiencia de conversin del C es:

Para la madera y combustibles de alta reactividad 100% Para carbones bituminosos > 98% Para carbones menos reactivos y de escombreras, ligeramente inferiorXVI.-460

Fig XVI.4.- Caldera de lecho fluidificado Caractersticas de diseo: -Uno o dos calderines -Opcin para reducir las emisiones de NO x y SO2 -Queman madera hmeda y otros combustibles de potencia calorfica entre (2800 3500 Btu/lb) -Reducen el volumen de lodos mientras producen vapor

Capacidad de nuevas unidades:-Apoyadas por abajo: hasta: 225.000 lb/h 28,4 kg/s

-Soportadas por arriba: de: 225.000 700.000 lb/h 28,4 88,2 kg/s Capacidad readaptaciones: Hasta 1.000.000 lb/h (126 kg/s) Presin de vapor: 2400 psig (16,5 MPa) Temperatura de salida del sobrecalentador: hasta 950F (510C) Combustibles: Capaz de quemar una amplia variedad de combustibles convencionales y residuos combustibles con alta humedad, como: -Residuos de madera y cortezas -Lodos de reciclado la fabricacin de papel -Lodos de depuradora -Combustibles derivados de neumticos -Petrleo y gas natural ; Carbn Fig XVI.5.- a) Caldera de lecho fluidificado burbujeante; b) Caldera de lecho fluidificado circulante XVI.-461

3.- VENTAJAS DE LA COMBUSTIN EN LECHO FLUIDIFICADO

El motivo principal para el desarrollo de las cmaras de combustin de lecho fluidificado, fue la exi

gencia de tener que reducir las emisiones de SO2 y NOx; la utilizacin de la tecnologa de combustin en lecho fluido permite quemar carbones con altos contenidos en S y obtener bajos niveles de emisin de SO2, sin necesidad de aadir equipamiento para la posterior eliminacin del S contenido en los humos.

Conforme esta tecnologa se perfecciona, el proceso permitir quemar carbones de baja calidad que, actualmente, son imposibles de quemar por otros mtodos.

En los lechos fluidos se aplican las reglas de la combustin, por lo que para cada diseo hay que tener en cuenta la composicin qumica y el poder calorfico del combustible.

Las calderas de lecho fluidificado se disean para que en el lecho se tenga una temperatura de ope

racin del orden de

1500 a 1600F 816 a 871C , lo que implica una serie de ventajas funcionales.

Emisiones reducidas de SO2 y NOx.-Debido a la baja temperatura de operacin en las calderas de lecho fluido, es posible utilizar un absorbente (caliza o doloma), para eliminar el SO2 presente en los ga-ses de combustin, que cuando se aade al lecho produce una reaccin en el hogar entre la cal CaO re-

sultante y el SO2 presente en los humos, reduciendo las emisiones de SO2 en ms de un 90%, segn sean

el contenido en S del combustible la cantidad de absorbente que se aada al proceso El N2 y el O2 reaccionan a altas temperaturas, por encima de 2700F (1482C), para formar NOx;

si la temperatura es menor de este valor, la formacin de NOx decrece muy rpidamente de forma que

con temperaturas en el lecho comprendidas entre

1500 a 1600F 816 a 871C , la cantidad de NOx formado es mucho

menor que la de otras unidades convencionales similares que operan a temperaturas ms elevadas.

En algunos lechos burbujeantes y en la totalidad de los lechos circulantes, se consiguen reduccio-nes en la formacin de NOx mayores, mediante una estratificacin del airecomburente. Si sobre los humos se emplean tcnicas de depuracin de postcombustin, se pueden alcanzar emisiones de NOx todava menores.

Ceniza del combustible.- Las bajas temperaturas de combustin permiten quemar combustibles con un elevado factor de ensuciamiento con cenizas de bajo punto de fusin; como la combustin se rea-liza a una temperatura muy inferior a la del punto de fusin de la ceniza del combustible, muchos de los problemas de funcionamiento de las calderas convencionales asociados a los combustibles, se minimi-zan considerablemente con el empleo de lechos fluidificados.

No obstante, hay que tomar precauciones frente a la concentracin de metales alcalinos en el le-cho, ya que podran provocar incrustaciones, especialmente en el sobrecalentador, lo que sugiere elegir una temperatura de operacin para el hogar del lecho fluidificado de 1500F (816C), para aquellos com-bustibles que tengan cenizas con alto contenido en metales alcalinos.

Combustibles de bajo poder calorfico.-El proceso de combustin en lecho fluidificado sirve para quemar combustibles que tengan poderes calorficos bajos, debido al:

-Rpido calentamiento de las partculas del combustible debido a la gran masa de material caliente que configura el lecho fluidificado -Gran tiempo de residencia del combustible en el lecho circunstancias que compensan los efectos derivados de la menor temperatura de combustin, en com-paracin con los procesos convencionales. Cuando se queman combustibles con un alto grado de hume-dad, es necesario tener en cuenta el peso que adquieren los humos por el vapor de agua que llevan, situa-cin que hay que prever en el diseo de los pasos de conveccin y otros componentes de la unidad.

Preparacin del combustible.-Para carbones con elevado contenido en ceniza, la caldera de lecho fluidificado tiene muchas ventajas en comparacin con los sistemas convencionales de combustin de carbn pulverizado. Los combustibles con mucha ceniza precisan pulverizadores de mayor potencia cuando se queman en hogares de carbn pulverizado.

Cuando combustibles con mucha ceniza se utilizan en un hogar de lecho fluidificado, se trocean en tamaos de menos de 0,25 (6,4 mm). Una caldera de lecho fluidificado se disea para quemar una am-plia gama de combustibles, ms de los que corresponden a los otros mtodos alternativos de combus-tin; no obstante, una vez diseada la caldera de lecho fluidificado para una determinada gama de com-bustibles, se pueden admitir algunas desviaciones en los valores de diseo para que la unidad funcione correctamente; la caldera de lecho fluidificado circulante es ms flexible que la burbujeante.

XVI.3.- CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO A PRESIN ATMOSFRICA

Calderas de lecho fluidificado burbujeante.- La Fig XVI.6 representa los componentes princi-pales de una caldera de lecho fluidificado burbujeante, en la que el lecho tiene una profundidad de 4 ft (1,2 m); la Fig XVI.7 muestra la distribucin de densidades del material, en la que el tramo de cada vertical de la densidad indica la parte alta del lecho.

La superficie de transferencia de calor de haz tubular, se coloca en el lecho, para lograr:

-El balance energtico -La temperatura de operacin que se desee alcanzar Para combustibles de bajo poder calorfico, esta superficie se reduce a un mnimo e, incluso, puede que no exista. En cualquier caso, la temperatura del lecho es uniforme y siempre se mantiene dentro de un margen de 25F (14C), como consecuencia de la mezcla de gases y slidos que tiene lugar.

La caldera de lecho fluidificado burbujeante que quema carbn incluye un sistema de recirculacin que separa los slidos de los gases que salen del economizador y los recircula hacia el lecho; esta operacin maximiza la eficiencia de la combustin y la captura de S.

Fig XVI.6.- Esquema de caldera con lecho fluidificado burbujeante XVI.-463

La recirculacin de slidos se limita al 25% del peso de humos, y para combustibles muy reactivos se suele suprimir. Los lechos fluidificados burbujeantes que queman carbn, operan con una velocidad superficial de humos, a plena carga, comprendida entre 8 10 ft/s (2,4 5 m/s).

El tamao mximo de material del lecho corresponde al que pasa por el tamiz de 600 micras.

Fig XVI.7.- Perfil de la distribucin de densidades en el hogar de la caldera con lecho fluidificado burbujeante a presin atmosfrica Calderas de lecho fluidificado circulante, (CFB).- La Fig XVI.8 representa los componentes principales de una caldera de lecho fluidificado circulante y la Fig XVI.9 el perfil de la distribucin de den-sidades del material en el hogar de la caldera. El lecho denso de este tipo de caldera no tiene ningn ban-co tubular de superficie termointercambiadora.

La absorcin de calor se realiza

por las paredes del hogar por la superficie interior de los muros y paredes divisorias ; sto es posible

debido a la gran cantidad de slidos que recirculan por el interior y por el exterior del hogar.

Fig XVI.8.- Esquema de caldera con lecho fluidificado circulante XVI.-464

Fig XVI.9.- Distribucin de densidades en el hogar de la caldera con lecho fluidificado circulante a presin atmosfrica IR-CFB El calor transferido a las paredes del hogar es suficiente para facilitar la absorcin calorfica nece

saria para mantener la temperatura de referencia del lecho de

1500 a 1600F 816 a 871C , con una velocidad superfi

cial de gases a plena carga de 20 ft/s (6,1 m/s) y un tamao de slidos mximo de 590 micras en el hogar

inferior, con un tamao promedio entre 150 200 micras.

XVI.4.- EMISIONES

Las emisiones contaminantes procedentes de las calderas y de los procesos de combustin de ele-vada potencia, varan en cada pas, aunque los componentes y productos que son objeto de control y re-gulacin, suelen ser los mismos

Los principales productos de referencia son:

-El dixido de azufre SO2 -Los xidos de nitrgeno NO x -El monxido de carbono CO -Los hidrocarburos y partculas en suspensin Las calderas de lecho fluidificado se disean para quemar combustibles slidos, al tiempo que controlan muchas de las emisiones contaminantes.

Dixido de azufre, SO2.-Cuando se queman combustibles que contienen S, la mayor parte de ste se oxida y pasa a SO2 formando parte de los gases de combustin (Ver cap XXXIV). Cuando se aa-de caliza al lecho, tiene lugar un proceso endotrmico (calcinacin) para formar la cal CaO:

CaCO3(sl) + 766 (Btu/lb) de CaCO3 CaO(sl) + CO2( gas ) la cual una vez formada reacciona con el SO2 de los gases y con el O2, segn un proceso exotrmico, for-mando sulfato clcico CaSO4, segn la reaccin:

SO2 + 21 O2 + CaO(sl)

CaSO4(sl) + 6733 Btu/lb(de S) Para las temperaturas de operacin de un lecho fluidificado el sulfato clcico CaSO4 es qumica-mente estable, se elimina en forma slida, y se puede vender.

Las primeras instalaciones de combustin en lecho fluidificado se realizaron en calderas de proceso

directo (de un paso), en las que el carbn y la caliza:

Alimentaban la cmara de combustin Reaccionaban en la misma A continuacin salan del sistema La eficiencia de la combustin y de la captura de S quedaban por debajo de los valores esperados en

el diseo. Para mejorar la instalacin, una parte de los slidos que salan del hogar (ceniza, CaSO4, C y cal) se separaba de los gases mediante un colector de polvo situado entre el economizador y el calenta-dor de aire, y se recirculaba inyectndolos en el hogar para facilitar otras reacciones.

La Fig XVI.10 representa el efecto de la recirculacin de slidos sobre la captura de S en un lecho fluidificado burbujeante, limitando los valores del recirculado a un mximo de 2,5 veces el de combustible, como resultado de consideraciones de tipo prctico relativas al tamao y disposicin de los equipos.

En el lecho fluidificado circulante, aguas abajo del hogar, se coloca un colector-separador primario, diseado especialmente para la recirculacin de todos los slidos capturados, por lo que la captura de S y la eficiencia de la combustin se mejoran, con relacin a los lechos fluidificados burbujeantes.

Fig XVI.10.- Relacin entre la captura de azufre y la tasa de reciclado

Caractersticas de diseo: Torre lavadora con atomizadores utilizados para el control de SO2, con bandeja de diseo patentada para una distribucin uniforme de los gases de combustin y mejora de la absorcin. Aplicable a caldera de 50 MW a 1300 MW ; Eficiencia: 99% Reactivos: Principalmente piedra caliza; tambin magnesio, carbonato de sodio y amoniaco. Combustibles: Todos los combustibles slidos, principalmente el carbn Fig XVI.11.- Depurador para desulfuracin hmeda de gases de combustin (Wet FGD) Algunos diseos incluyen un segundo colector-separador situado aguas debajo de la zona de convec-cin, debido al incremento de la concentracin de partculas finas en el hogar. Todas estas mejoras son consecuencia de los mayores tiempos de contacto slido-gases y de la ma-yor superficie de las partculas finas, que estn en contacto con los gases.

En el lecho fluidificado circulante es normal una reduccin del 90% de SO2 para una relacin molar 2 < Ca< 2,5 segn sea el contenido en S del combustible y la reactividad de la caliza.S En el lecho fluidificado burbujeante se precisan relaciones Ca ligeramente superiores a 2,5.

SPara eliminar un determinado nivel de SO2 hay que utilizar una relacin Ca tanto mayor cuanto

S menor sea el contenido de S en el combustible.

Para conseguir reducciones de S superiores al 90%, se requieren cantidades de caliza que aumentan muy rpidamente, por lo que el factor econmico puede hacer derivar hacia otros mtodos alternativos de eliminacin de S, como los lavadores de gases para calderas convencionales que queman carbn pulverizado.

xidos de nitrgeno NOx.-Tienen dos orgenes distintos:

el N 2 que contiene el combustible el N 2 que contiene el aire comburente Normalmente, a los xidos de nitrgeno en los humos se les considera como NOx siendo el subndice representativo de varios compuestos (Ver cap XXXIII). El xido que procede del combustible se denomina NOx del combustible, mientras que el formado por la oxidacin del nitrgeno del airecomburente se llama NOx trmico, puesto que es el resultado de un proceso a alta temperatura, superior a 2700F (1482C). Como el lecho fluidificado opera a baja temperatura, el

NOx trmico es mnimo, en el global de los NOx formados.

Una caldera de lecho fluidificado puede suprimir o minimizar el NOx del combustible, disminuyendo la dosificacin de airecomburente a travs de la placa distribuidora, por lo que parte de los compuestos de N2 del combustible se descomponen en nitrgeno molecular, en lugar de contribuir a la formacin de los

NOx. Este proceso de combustin estratificada se usa tambin en otros mtodos de combustin, para lograr el mismo fin.

La combustin estratificada se usa en :

-Lechos fluidificados burbujeantes que no tengan superficies termointercambiadoras sumergidas en el lecho -Todos los lechos fluidificados circulantes Este tipo de combustin no se emplea con haces tubulares sumergidos en el lecho, porque con com-bustin subestequiomtrica los gases tienen muchos componentes reductores, que suelen provocar r-pidas prdidas de metal en los tubos del hogar. En la combustin estratificada, las paredes del hogar se protegen en toda la altura de la zona reductora del hogar, con una delgada capa de refractario.

En las calderas de lecho fluidificado la combinacin de

las bajas temperaturas de operacin la combustin estratificada , permiten

operar con emisiones de NOx particularmente bajas.

Un valor normal de emisin de NOx para lechos fluidificados de unidades que queman carbones, est entre 100 200 ppm de volumen seco.

CO e hidrocarburos.-Cuando se disea una caldera, es necesario conseguir la mxima eficiencia en la combustin, minimizando el Cinquemado y las cantidades de CO y de hidrocarburos presentes en los gases de combustin, lo que se consigue mediante:

-La correcta eleccin del nmero de puntos de alimentacin del combustible -El diseo apropiado del sistema de aire -El tiempo de residencia en el hogar que garantice la mezcla de combustible y aire y una combustin completa En calderas de lecho fluidificado que queman carbones, las concentraciones normales son:

-Para el CO en los gases, inferiores a 200 ppm de volumen seco -Para los hidrocarburos, inferiores a 20 ppm de volumen seco Partculas.-La ceniza del combustible slido se libera durante el proceso de combustin:

-Parte de ella queda en el lecho fluidificado y, posteriormente, se descarga mediante el sistema de eliminacin de mate-rial del lecho o por un sistema de purga; su tamao es mayor que el correspondiente al tamiz de 140 mesh (105 micras) sien-do de fcil manipulacin y transporte en el el sistema de evacuacin - El resto de la ceniza sale de la caldera, con los gases, en forma de partculas slidas en suspensin; su tamao es infe-rior al del tamiz 325 mesh (44 micras), y su separacin de los humos y posterior recuperacin exige colectores-separadores de alta eficiencia Con carcter general, en las calderas de lecho fluidificado a presin atmosfrica se usan filtros de sacos, Fig XVI.12, que son menos sensibles a las propiedades de las cenizas (tamao, concentracin, re-sistividad, etc.) que los depuradores electrostticos convencionales, Fig XVI.13. (Ver cap XXXII).

Caractersticas de diseo del filtro de sacos, Fig XVI.12.-Compartimentos mltiples, cada uno de los cuales tiene, a lo largo, varios miles de bolsas de tela de pequeo dimetro, apoyadas verticalmente. Los humos pasan a travs de las bolsas de material poroso, que separan las partculas de los gases de com-bustin; las bolsas se limpian por pulsos de aire comprimido; la eficiencia es del 99,9%

Caractersticas de diseo del precipitador electrosttico, Fig XVI.13.- Las partculas de ceniza volan-te en los gases de combustin se descargan elctricamente sobre una serie de placas colectoras vertica-les a travs de las cuales pasan los humos horizontalmente, para ser enviadas mecnicamente a las tolvas de ceniza. Los electrodos se centran entre las placas, proporcionando un campo elctrico que car-ga las partculas, que son atradas y recogidas por las placas

XVI.5.- DISEO DEL HOGAR DE UNA CALDERA DE LECHO FLUIDIFICADO

Los factores que afectan al diseo del hogar de una caldera de lecho fluidificado, los especifican el propietario y el diseador, y se deducen de datos empricos. La informacin inicial para el diseo de una caldera con hogar de lecho fluidificado, se puede agrupar en:

Especificaciones del propietario: -Potencia de la unidad y flujo de vapor -Tipo de combustible, contenido en ceniza y humedad, tamao, reactividad, anlisis, caractersticas abrasivas, ensuciamiento, aglutinacin, etc -Tipo de caliza, reactividad, tamao y caractersticas de abrasin -Requisitos para la captura de S -Tipo de absorbente, tamao, reactividad y anlisis -Lmites de emisin de NOx -Mnima carga de la unidad Especificaciones del diseador: -Tipo de sistema de alimentacin en el lecho, por encima o por debajo del mismo -Nmero y ubicacin de los puntos de alimentacin de combustible -Eficiencia de la combustin. -Nmero y ubicacin de los puntos de inyeccin del absorbente -Aireprimario, airesecundario y ubicacin de las toberas sobre el lecho -Temperatura y velocidad de operacin del lecho -Tamao de las partculas en el lecho -Cantidad de slidos que salen

por el drenaje del lecho con los humos hacia el colector final de partculas -Cantidad, temperatura y ubicacin de los slidos recirculados hacia el hogar, desde el colector de partculas y desde los clasificadores de drenaje del lecho. -Influencia del material del lecho Requisitos de combustin.- Para que un lecho fluidificado funcione adecuadamente con un car-bn bituminoso, es preciso alimentarlo de forma continua con una cantidad suficiente de partculas, al tiempo que stas tengan una determinada distribucin de tamaos para mantener un proceso estable.

-Si las partculas son demasiado gruesas el lecho pierde fluidificacin y pasa a comportarse como un lecho fijo -Si las partculas son demasiado finas se pueden proyectar fuera del hogar, por lo que no se puede mantener un adecuado nmero de ellas en el lecho fluidificado Un lecho burbujeante debe recibir, suspender, mezclar y quemar las partculas del combustible, de forma que:

-Si la densidad del lecho es muy pequea, o el lecho es demasiado delgado, se puede producir una acumulacin de par-tculas de combustible en una zona puntual del mismo, en la que el combustible y la ceniza se juntan configurando masas es-corificadas, lo que provoca altas temperaturas -Si el lecho se alimenta con muchas partculas grandes, se pierde la fluidificacin con un resultado parecido al anterior Si el nmero de partculas se distribuye a lo largo de toda la altura del hogar, en su parte inferior se necesita un lecho denso que soporte y mezcle el combustible durante la combustin para evitar los pro-blemas indicados.

Cuando se quema carbn, la mayor parte de la ceniza se libera en forma de partculas muy finas, que pueden ser proyectadas por los gases de combustin hacia el exterior del lecho.

-En lechos burbujeantes, este material no contribuye a mantener el nmero de partculas del lecho adecuado - En lechos circulantes, este material se captura y recircula hacia el hogar, como parte de la masa circulante; no obstante, los finos no aportan una contribucin significativa para configurar el lecho denso Como consecuencia de las grandes diferencias que se pueden presentar en la ceniza del combusti-ble, no se puede confiar slo a la ceniza la formacin de un lecho estable, y de ah la necesidad de aadir al sistema un segundo material inerte (arena), con una adecuada y precisa distribucin de tamaos.

Cuando se pretende capturar el S, para que tenga lugar la retencin del SO2 en el lecho fluidificado, la arena se sustituye por la caliza. El tamao ideal del absorbente conque se alimenta la caldera debe ser el necesario y suficiente para formar un lecho estable. Durante los procesos de calentamiento, calci-

nacin y sulfatacin, el tamao del absorbente (que entra a formar parte del material del lecho) vara, as como sus propiedades fsicas y qumicas, por lo que en muchos casos no se puede predecir con fiabilidad su tamao.

Las calizas muy blandas se degradan con ms rapidez que otras, por lo que durante la operacin inicial de un lecho fluidificado hay que comprobar sus caractersticas y realizar los tanteos necesarios para establecer su tamao adecuado y rgimen de aporte.

Para un combustible (madera) con poca ceniza, la arena se utiliza para adecuar el contenido del le-cho; dado que la arena no se degrada tan rpidamente como la caliza, su aporte es menor y el tamao del material del lecho se puede predecir mejor.

Cuando se usan carbones residuales con cantidades importantes de ceniza exenta de materia org-nica, se requieren consideraciones especiales; esta ceniza mineral se compone de rocas que se han arrancado en el proceso de extraccin; no se fractura en partculas finas, formando un porcentaje im-portante del material del lecho, por lo que el tamao del combustible alimentado se debe elegir cuidado-samente, de modo que la ceniza complemente el material del lecho, en lugar de crear problemas a la flui-dificacin.

Existen calderas de lecho fluidificado, en las que

el tamao la consistencia de la ceniza son suficientes para la

formacin de un lecho estable, sin tener que aportar otro material al mismo.

XVI.6.- CARACTERIZACIN Y MEDIDA DE PARTCULAS

En los hogares de calderas de lecho fluidificado, el movimiento de las partculas viene afectado por:

-Las fuerzas gravitatorias -Los impactos de las partculas entre s -Los impactos de las partculas con las paredes de la caldera Las caractersticas ms importantes de una partcula son: su tamao, densidad y geometra

La forma de la partcula puede ser desde esfrica hasta plana, y determina cmo reacciona frente a las fuerzas presentes en el hogar. La partcula ideal sera una esfera homognea, y la mezcla ideal esta-ra constituida por un conjunto de esferas homogneas de igual dimetro. En la prctica, las mezclas que se presentan son conjuntos de partculas con diferentes tamaos, densidades y formas.

En los lechos fluidificados los clculos de transferencia de calor y prdidas de presin, presuponen

que las mezclas de partculas se caracterizan por

Un dimetro y densidad promedio de partcula Una densidad aparente de la mezcla Para calcular el dimetro medio de las partculas stas se suponen esfricas; para tener en cuenta que las partculas reales no son esfricas, se introduce un factor de correccin del dimetro medio calcu-lado. Las mezclas contienen cantidades importantes de otras configuraciones de partculas, como las escamas o perfiles cilndricos, que son siempre difciles de caracterizar.

La determinacin del dimetro medio de una mezcla, la proporciona el cribado de la muestra repre-sentativa de la misma, mediante una serie de tamices en columna con mallas cada vez ms finas; tam-bin hay que comprobar el peso de las cantidades de mezcla cribada que han quedado retenidas en cada uno de los tamices de la columna

En lechos fluidificados se usan dos dimetros caractersticos:

el gravimtrico el Sauter Volumenmedio El dimetro Sauter para una mezcla de partculas, se calcula a partir de la relacin

Superficie media del lote de partculas y se utiliza para predecir el comportamiento hidrodinmico de mezclas, calculndose a partir de las fracciones gravimtricas de las mezclas de partculas, por la ecuacin:

X1 + X2 + + XN 1 Di el dimetro promedio del corte i, en micrasDSauter == N (micras) , siendo: Xi la fraccin en peso del corte i, adimensionalX1 + X2 + + XN Xi D1D2 DN i=1 Di El dimetro gravimtrico medio se calcula a partir de la fraccin en peso de cada tamao de la mez-cla de partculas, mediante la expresin:

NDgrav(micras) = D1X1 + D2X2 + + DNXN = DiXii= 1Cuando todas las partculas tienen igual dimetro, los dimetros gravimtrico y Sauter, coinciden.

Para mezclas de partculas con un margen de dimetros estrecho, ambos dimetros son similares al dimetro Sauter correspondiente a las partculas de menor tamao.

Para mezclas de partculas con un margen de dimetros amplio, el dimetro medio Sauter es mucho menor que el dimetro medio gravimtrico.

Cada de presin en el lecho burbujeante.-Para un lecho denso, la cada de presin es de es-pecial inters; para el resto de la caldera, las cadas de presin se calculan mediante las ecuaciones que se aplican en el diseo de calderas convencionales.

La Fig XVI.7 muestra el perfil de distribucin de densidades en el hogar e identifica las zonas utilizadas para establecer la cada de presin y la transferencia de calor.

La cada de presin p en el lecho denso se calcula por la ecuacin:

C es una constante de conversin de unidades

e es la fraccin de huecos del lecho

plecho burbujeante = C (1 e) ( part g) L , en la que: L es la altura del lecho part es la densidad de las partculasg es la densidad del gas, en las condiciones del lecho El parmetro e depende del tamao y densidad de las partculasde la velocidad y viscosidad del gas en el lechoCada de presin en el lecho circulante.-El perfil de la distribucin de densidades del hogar de una caldera de lecho circulante es ms complejo que el de un lecho burbujeante. Es norma establecer un lecho denso, burbujeante o turbulento, en la parte baja del hogar, lo que se consigue graduando la admi-sin de aire hacia el hogar, suministrndole entre el 50 70% del flujo de aire total a travs de la placa distribuidora, reduciendo la velocidad del gas en la zona primaria y facilitando el mantenimiento de un le-cho que tenga tasas relativamente bajas de recirculacin de slidos.

El flujo ascensional de slidos se reduce al aumentar la altura del hogar, lo que conduce a una disminucin de la densidad local en el hogar, Fig XIX.8.

La cada de presin p en un hogar de lecho fluidificado circulante, se obtiene por la expresin:

C es una constante de conversin de unidades

plecho circulante= C b L , en la que: b es la densidad aparente mediaL es la altura del hogarPara la utilizacin de p se ha desarrollado un perfil de distribucin de densidades, Fig XVI.9, en el que la curva representativa (deducida a partir de datos empricos) es funcin de muchas variables, sien-do las ms importantes:

Dpart es el tamao medio de partculas, encima del lecho denso DB es el tamao medio de partculas, en el lecho densoV es la velocidad del gasT es la temperatura del hogarWs es el flujo exterior de slidos, lb/ft2h (kg/m2s)s es la densidad de las partculas es un factor de forma de las partculasDequiv es el dimetro equivalente del hogar En el hogar, la densidad aparente de la mezcla vara mucho con la altura, por lo que el hogar se sue

le dividir en zonas, calculndose para cada una de ellas una densidad basada en datos experimentales. Estas zonas son: de lecho denso, de desprendimiento, de transicin y de rgimen libre La cada de presin se aplica a cada una de las zonas y la suma de los clculos parciales, proporcio-

na la cada total de presin en el hogar.

XVI.7.- TRANSFERENCIA DE CALOR

En los hogares convencionales, los humos arrastran consigo una parte de la ceniza del combustible, por el interior y por el exterior del hogar, del orden de menos de 1 kg de slidos inertes por cada 100 kg de humos.

La transferencia de calor desde los humos hacia las paredes del hogar se realiza por radiacin.

En un hogar de lecho fluidificado circulante, la cantidad de slidos en los humos puede superar los 5 kg por cada 100 kg de gas, por lo que debido a este alto contenido, en el diseo se deben considerar otros mecanismos adicionales de transferencia de calor.

La transferencia de calor desde el lecho

a los tubos de un haz inmerso en un lecho burbujeante a las paredes de un lecho circulante , comprende

la conveccin desde los slidos y el gas, y la radiacin desde el gas.

En un hogar de caldera convencional, la radiacin del gas es la ms importante por su nivel de temperatura, mientras que la conveccin desde slidos es poco relevante.

La influencia de una alta concentracin de slidos en el gas es muy significativa; para temperatu-ras iguales, los coeficientes de transferencia de calor en las calderas de lecho fluidificado, son considera-blemente superiores a los de las calderas convencionales.

No obstante, como las temperaturas del lecho estn comprendidas entre

1500 a 1600F 816 a 871C , el flujo de

calor total resulta similar en ambos sistemas; el coeficiente medio de transferencia de calor para calde

ra de lecho fluidificado circulante es de:

1500 a 1600F 816 a 871C . a) LECHO BURBUJEANTE.- A efectos de transferencia de calor, una caldera de lecho burbu-

jeante se divide en tres zonas, Fig XVI.7:

lecho burbujeante o lecho denso zona de desprendimiento zona superior o de rgimen libre Desde lecho denso a bancos de tubos.- La ecuacin del coeficiente global de transferencia de ca-lor, para un tubo cualquiera, viene dada por la expresin:

Uo = 1 , con :

1 + Rm+ Rt

U0 el coeficiente global de transmisin de calor en Btu/ft 2 hF, (W/m 2 K) hc el coeficiente de conveccin y h r el de radiacin, para banco tubular Rm la resistencia de la pared metlica del tubo y R t la resistencia pelicular del tubohc+ hr El coeficiente de conveccin hc para tubos sueltos, se determina como sigue:

-Para lechos con partculas inferiores a 800 micras, Dp < 800 micras hc Ftub = 900 (1 e ) kgases ( G dtubo s g2 )0 ,326 Ftub= hctubo simpledtubo g g Dp2g3 part -Para lechos con partculas superiores a 800 micras, Dp > 800 micras k (1 e ) 3600 Dp g cp v hc = Dp {C1 + ( C2 )}k en las que:

Ftub es un factor adimensional de la disposicin tubular (slo al tresbolillo)hc(tubo simple) es el coeficiente de transferencia trmica del tubo simple, Btu/ft2hF, (W/m2K)e es el porcentaje de huecos del lechokgases es la conductividad trmica de los gases, Btu/fthF (W/mK)dtubo es el dimetro exterior del tubo, ft (m)G es el flujo msico del gas, lb/ft2s (kg/m2s)part es la densidad de las partculas, lb/ft3 (kg/m3)g es la viscosidad de los gases, lb/fts (kg/ms)g es la densidad de los gases, lb/ft3 (kg/m3)Dp es el dimetro medio de las partculas, ft (m)C1 y C2 son constantes experimentales, adimensionalcp es el calor especfico de los gases, Btu/lbF (J/gK)v es la velocidad nominal de los gases del lecho, ft/s (m/s)Para convertir los coeficientes de transferencia de calor relativos a tubos sueltos, en otros aplicables a bancos tubulares, se usa la ecuacin:

Do 2D o + y D0 es el dimetro exterior del tubo, (" ) (mm) Ftub = 41 () , en la que : x es el espaciado entre tubos normal al flujo, (" ) (mm) x Do + y y es el espaciado entre tubos paralelo al flujo, (" ) (mm) El coeficiente de transferencia de calor por radiacin es:

44 es la emisividad global mediaTgas Tpared hr = , en la que: = 0,1713.10-8Btu/ft2hR4= (5,678.10-8W/m2K 4)Tgas TparedTgas es la temperatura de los gases en el lecho; Tpared la de la pared, R ( K) La emisividad global media en hogares burbujeantes es 0,8 y depende de la emisividad y tamao de las partculas.

El coeficiente global de transmisin de calor para un haz tubular sumergido es de 49 a 60 Btu/ft2h F 227 a 341 W/m2K Desde lecho denso a paredes.- Para evaluar el coeficiente de transferencia trmica por convec-cin, se puede utilizar la ecuacin propuesta por Mickley, que incluye una constante experimental C3, en la forma:

hcpared = C3 ( 3600 part 3( 1 e) V )0,263 Dp Si las paredes en la zona del lecho burbujeante estn cubiertas con refractario, en la ecuacin que facilita el valor del coeficiente global U0 habr que aadir la resistencia debida al refractario, que tam-bin afecta al clculo del coeficiente de radiacin hr.

El refractario apenas influye en el valor del parmetro hcpared .

Desde la zona de desprendimiento a tubos.- En perodos de funcionamiento con un bajo nivel de lecho, es posible que una parte de los tubos superiores del banco tubular no queden sumergidos, quedan-do al descubierto. Cuando esa porcin tubular se encuentra al descubierto en la parte baja de la zona de barboteo, el clculo de la transferencia de calor se realiza en una parte especial del lecho.

El contenido de partculas en el flujo de humos es mucho menor que en el lecho y decrece exponen-cialmente con la altura, por lo que la transferencia de calor a la fraccin de tubos no sumergidos decrece muy rpidamente. Una ecuacin emprica desarrollada, es:

hcexterior tubo expuesto 10 + HL )22 hmexterior tubo sumergido = exp {- ( 25,8 } , siendo: HL la altura de los tubos expuestos (no sumergidos) Desde la zona de desprendimiento a paredes.-Para paredes verticales en la zona de desprendi-miento, el coeficiente de conveccin se evala en la forma:

hcpared = C4{1 C5(1 e)} + hcg , siendo: C4 y C5 constantes experimentales El coeficiente hcg = 0,023 kgas ( 3600 c p( gas ) g )0 ,3 ( Dequiv.caldera G )0 ,8 eDequiv.caldera kgas g kgas la conductividad trmica de los gases, Btu/ft Fh Dequiv.calderaes el dimetro equivalente de la caldera, ften la que: cp(gas) es el calor especfico de los gases, Btu/lbF g es la viscosidad de los gases, lb/ft.s G es el gasto msico de gases, lb/ft2s

La porosidad e se refiere al lecho denso y no a la zona de desprendimiento (zona de barboteo). La al-tura de esta zona se dimensiona para conseguir un aumento del tiempo de residencia de por lo menos 1 segundo.

En la parte superior del hogar.- Esta parte de la unidad se estudia de igual forma que en las cal-deras convencionales. La diferencia radica en la emisividad de la mezcla slidos +gases, ya que el conte-nido de slidos en los gases es mucho ms elevado que en el caso de las calderas convencionales, que-mando carbn de altas cenizas, por lo que se pueden alterar las propiedades radiativas.

b) LECHO CIRCULANTE.- Las calderas de lecho fluidificado circulante no incorporan superficies de bancos tubulares sumergidos, por lo que la absorcin de calor se realiza por las paredes del cerra-miento y los tabiques divisores internos del hogar, pudindose citar las paredes divisoras y las paredes aletas. La transferencia de calor en estos hogares se determina fraccionndole en dos regiones:

-La que comprende el hogar denso -El resto del hogar Desde el lecho denso.- La transferencia de calor es similar a la del lecho denso a paredes de calde-ra de lecho burbujeante, aunque hay diferencias, ya que aqu el rgimen es turbulento, en lugar del ca-racterstico barboteo propio del burbujeante.

Desde la zona de desprendimiento y la parte superior del hogar.-La zona que est encima

del lecho denso, (por debajo del nivel de inyeccin del airesecundario para producir el lecho circulante), se denomina zona de desprendimiento.

transicin rgimen libre , Fig XVI.9, en las que la transferencia

La parte superior del hogar incluye las zonas de

de calor de lecho a paredes se estima considerando tres procesos en paralelo:

-Conduccin de partculas -Conveccin de gases -Radiacin a) En la conduccin de partculas, el calor se transfiere de stas a las paredes por conduccin. La prdida de energa correspondiente se repone mediante intercambios de materia y energa con el ncleo central del flujo ascendente de slidos y gases de combustin.

b) La conveccin de los gases es la forma de transferencia de calor predominante en las zonas de su-perficies termointercambiadoras que no estn en contacto con las partculas, y tiene poca influencia cuando el contenido de slidos es muy elevado.

En las partes superiores del hogar, donde la concentracin de slidos es relativamente baja, la con-veccin de los gases es pequea si se compara con la radiacin. Para evaluar los coeficientes de transfe-rencia trmica de las partculas por conveccin, se han propuesto ecuaciones que incluyen parmetros que tienen influencia predominante sobre el tamao de las partculas y sobre la densidad aparente de la mezcla.

c) La radiacin tiene lugar de forma similar a la que se presenta en los hogares convencionales. En la parte del hogar que est por encima del lecho denso, la emisividad global es funcin de las propiedades radiativas de los gases, de los slidos y del tipo de superficie de absorcin de calor; un valor aproximado es = 0,5.

Un hogar de lecho fluidificado circulante, cuando existe una elevada recirculacin de slidos, opera en condiciones isotermas a plena carga desde la parte inferior a la superior; la transferencia global de calor se determina mediante la curva de distribucin de densidades y de un tamao medio de partculas.

Cuando la recirculacin de slidos se reduce y se opera a bajas cargas, el hogar es cada vez menos isotermo, por lo que se necesitan procedimientos complicados para el clculo de la absorcin de calor por el hogar. Uno de ellos consiste en dividir el hogar, verticalmente, en un gran nmero de zonas pequeas, de forma que en cada una de ellas se puedan considerar constantes las variaciones de temperatura y densidad; la ecuacin utilizada para la transferencia de calor es:

a) Granos de arena de 250 micras b) Granos de arena de 170 micras Fig XVI.14.- Coeficiente de transmisin de calor en funcin de la densidad en lecho fluidificado circulante de diversos granos de arena y temperatura 1562F (850C) , con :

mnhc = hcpartcula + hcg = C6 gas Dpart + hcg1

4Tg4 Tpared Tg Tpared U0 = 1 hc + hr hr = + Rref + Rm+ Rftsiendo: hcg = 0,023 kgas ( 3600 c p( gas ) g )0 ,3 ( Dequiv.caldera G )0 ,8 Dequiv.caldera kgas g e Los coeficientes de transmisin de calor en funcin de la densidad en lecho fluidificante circulante representados en la Fig XVI.14 se han obtenido a partir de datos experimentales y de laboratorio para un amplio rango de densidades y dos tamaos de partculas.

XVI.7.- BALANCES DE CALOR Y DE MATERIA

Los balances de calor y de materia que intervienen en el diseo de una caldera se realizan para fijar los caudales, composicin y temperatura de todos los flujos que entran y salen del sistema; para ello, la caldera se subdivide en zonas y mediante un proceso iterativo de los balances de calor y de materia, en cada una de ellas, se consigue llegar a la solucin final. El calor sensible de los slidos es un factor impor-tante en las calderas de lecho fluidificado, y es el que manifiesta la diferencia ms notable en los balan-ces de calor y de materia entre una caldera de lecho fluidificado y otra convencional.

BALANCE DE MATERIA.-Cuando se utiliza caliza como absorbente tienen lugar unas reaccio-nes que afectan al balance de slidos:

CaCO3 CaO + CO2 MgCO3 MgO + CO2 CaO +SO2+ 12 O2 CaSO4 Durante la calcinacin hay una pequea prdida de slidos, consecuencia de la formacin endotr-mica del CO2 a partir del CaCO3 y, posteriormente, se presenta una ganancia similar en la sulfatacin exotrmica del CaSO4

La cantidad de S que ha reaccionado Los parmetros que caracterizan el funcionamiento de la caldera son: La relacin Ca escogidaSEl anlisis elemental de la caliza Balance de materia en lecho fluidificado circulante.-Un ejemplo del balance de materia en una caldera de lecho fluidificado circulante a presin atmosfrica, se indica en la Fig XVI.15.

Hay que tener en cuenta que dentro de la caldera se produce una cantidad importante de slidos en recirculacin. Desde el punto de vista del balance global de materia, los slidos que entran en el hogar pueden salir:

-Como material relativamente grueso a travs del drenaje del lecho, -Como material fino que se evaca tras su paso por el rea de conveccin Las partculas finas que salen del lecho y se recirculan, abandonan el sistema tras recorrer el rea de conveccin de la unidad, a travs de un separador colector de polvo o de un multicicln.

En lo que sigue, se supondr que en la caldera entra un absorbente que experimenta reacciones complejas de calcinacin y sulfatacin y que el combustible se quema por completo formando slo ceni-zas. Estos flujos no se deben confundir con el de absorbente no utilizado y con el de combustible que ali-menta la caldera. La definicin de los parmetros representados en la Fig XVI.15 y las expresiones que se utilizan en los balances de materia se recogen en la Tabla XVI.1; las fracciones Ea, Es y Ei dependen

de la ceniza del combustible, del absorbente y de la materia inerte que haya en el sistema, valores que se determinan siempre de forma experimental.

Fig XVI.15.- Esquema para el balance de materia en caldera de lecho fluidificado circulanteTabla XVI.1.- Parmetros del balance de materia

Los valores de NUB, NMC y E, tanto para los componentes entrantes como para el total de slidos, estn relacionados entre s, por el siguiente balance de materia:

ESF(1 - NUB) (1- NMC) +MCP = E(ISF ) Los pasos para establecer un balance de materia en un lecho fluidificado circulante, son:

ISF se define con las entradas de combustible y caliza; la entrada de caliza es proporcional a la de combustible y se calcula para que efecte la retencin deseada de S E se define con datos experimentales ESF se adopta por consideraciones de diseo del hogar NMC y NUB se fijan por la experiencia BDF = (1 - E ) ISF LVF = (ESF) NUB CPSF = ESF (1 - NUB) BHC = ESF (1 - NUB) (1 - NMC) MCC = ESF (1 - NUB) NMC MCP = E (ISF) - BHC = MCC - MCR MCR = ESF (1 - NUB) - E (ISF) = CPSF - E (ISF) Se observa que la prdida correspondiente al filtro de sacos (BHC) se considera despreciable.

Con los valores de E, NMC y NUB adecuados, el mximo flujo de slidos en el paso de conveccin (CPSF) no es superior a la mayor carga de slidos en el paso de conveccin.

Casi siempre se puede disear una caldera (CFB) con purga (MPC) nula del multicicln.

Balance de materia en lecho burbujeante.-Para estas calderas se tiene:

ISF igual que en lecho circulanteE se selecciona sobre datos empricosBDF = (1 - E) ISF

La capacidad del sistema multicicln (MCRC) se define por datos empricos y siempre proporcionalmente al combustible.

NMC se fija experimentalmente y segn la utilizacin deseada del absorbente y la conversin de C CPSF = E (ISF) + MCRC MCC = (CPSF) NMC BHC = CPSF (1- NMC) MPC = MCC - MCR MCR = MCRC Si: MCP < 0, se hace MCP = 0 y MCR = MCC BHC = E (ISF) E (ISF) NMCMCR = 1 - NMCE (ISF)

CPSF = 1 - NMC BALANCE TERMICO.-En la zona de mxima liberacin de calor de los hogares de carbn pulveri-zado, de los combustores cicln y de hogares mecnicos, se transfiere poco calor desde los humos, por lo que stos alcanzan una elevada temperatura antes de que se refrigeren por la superficie de cerramiento del hogar.

Sin embargo, en la combustin en lecho fluidificado, el calor se transfiere desde la zona de mxima liberacin de calor con un rgimen mucho mayor, por lo que la temperatura mxima de los humos se li-mita a un nivel que es inferior al anterior.

En la combustin en lecho fluidificado burbujeante, el proceso de extraccin de calor se realiza por una superficie termointercambiadora de refrigeracin, sumergida en el lecho activo de slidos calientes y del combustible en fase de combustin.

En el sistema de lecho circulante, los slidos que existen en gran cantidad extraen el calor desde la zona de combustin activa y lo transfieren a la superficie termointercambiadora de la unidad, pasando por el hogar.

La posibilidad de modificar la cantidad de calor extrado desde el proceso de combustin, para alcanzar el nivel de temperatura deseado, hace muy flexible el diseo de cualquier caldera de lecho fluidificado.

El exceso de calor (diferencia entre el calor que entra en el lecho con el combustible y aire, y el que sale) como consecuencia del propio proceso de combustin y la radiacin correspondiente al resto del ho-gar, se absorbe por los tubos sumergidos en el lecho y por las superficies termointercambiadoras del ce-rramiento del lecho.

La misma temperatura del lecho se puede lograr de dos formas:

-Si el poder calorfico del combustible disminuye, se precisa menos superficie sumergida -Si el poder calorfico del combustible aumenta se necesita ms superficie sumergida Con un poder calorfico extremadamente bajo no se utiliza superficie sumergida y esa zona del ce-rramiento se recubre con refractario (para minimizar la extraccin de calor en el lecho) caso que se pre-senta cuando se queman lodos transportados por tubera con alta humedad.

En el diseo de lechos fluidificados circulantes, hay que tener en cuenta todas las superficies de transferencia trmica del hogar, al realizar cualquier balance de calor.

La cantidad de materia que circula entre el hogar y el separador colector primario, (la cual regresa al hogar por recirculacin), determina la densidad media de los slidos en el hogar.

El coeficiente de transferencia de calor en el hogar es proporcional a la densidad aparente de la mezcla slidos+gases, Fig XVI.14; sin embargo, en las calderas de lechos fluidificados circulantes, la ab-sorcin calorfica del hogar depende de su superficie total y de la circulacin externa.

La capacidad calorfica del hogar depende tambin del combustible que se queme; algo de combustible se quema por encima del lecho lo que se tiene presente cuando se calcula la temperatura de humos.

La distribucin real de la combustin que

es interior al lecho tiene lugar por encima del lecho depende de las propiedades

del combustible (tipo, volatilidad, tamao) y del sistema de alimentacin.

Como consecuencia de la gran cantidad de slidos recirculados en un hogar de lecho fluidificado cir-culante, la particular configuracin de la extraccin de calor no tiene influencia en la distribucin de tem-peraturas, lo que justifica el hecho de que los hogares de lecho fluidificado circulante sean ms tolerantes que los burbujeantes, frente a los cambios de combustible.

El balance de calor de las superficies de conveccin de la unidad se calcula de forma similar a como se hace en las calderas convencionales, incluyendo los efectos derivados de la presencia de slidos en los gases, pues este tipo de humos puede tener una influencia sustancial en el balance de calor del paso de conveccin.

XVI.8.- CONFIGURACIN DE CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO

Placa distribuidora y casquetes de burbujeo.-La placa distribuidora va siempre situada en el fondo del hogar al que separa de la caja de aire que est bajo la placa; est dotada de un casquete de burbujeo con el fin de facilitar una distribucin uniforme del airecomburente en toda la seccin transversal del hogar, para cualquier rango de cargas de la caldera, Fig XVI.16.

En esta situacin la placa distribuidora tiene una cada de presin a travs de los casquetes de bur

bujeo:A plena carga: de 16" (406 mm) de columna de agua A mnima carga: de 4" (102 mm) de columna de agua En una caldera de lecho fluidificado circulante a plena carga, por la placa distribuidora fluye un porcentaje de aire de combustin entre el 50 70%.

La placa distribuidora de una caldera de lecho fluidificado burbujeante se disea, si no se utiliza combustin estratificada, para un 85 100% del airecomburente.

Fig XVI.16.- Placa distribuidora y casquetes de burbujeo La placa distribuidora debe ser totalmente estanca al aire, si se exceptan los pasos a travs de los casquetes de burbujeo, y debe soportar el peso de un posible desplome del lecho y, tambin, el abombamiento debido a la cada de presin del aire a travs de la misma, durante la operacin.

Los casquetes de burbujeo dividen el aire en pequeos flujos, y as se establece una buena distribu-cin del comburente, impidiendo la formacin de grandes burbujas en el lecho, minimizando la erosin y evitando un cribado de slidos del lecho hacia la caja de aire. La mayora de las placas distribuidoras uti-lizadas en las calderas de lecho fluidificado, se construyen como paredes membrana.

Sistema de airesecundario.-El airesecundario que se aporta por encima del lecho denso, forma parte del sistema de control de emisiones y completa la combustin. Las calderas de combustin en lecho fluidifi-cado circulante y algunas de lecho fluidificado burbujeante, cuando no tienen haces tubulares sumergi-dos, para controlar las emisiones de NOx utilizan un proceso de combustin estratificada.

A veces, el airesecundario se usa en las calderas de lecho burbujeante para mejorar la turbulencia y

la combustin, cuando

el combustible se alimenta por encima del lecho o cuando hay un exceso de finos en el combustible El airecomburente que no entra por los casquetes de burbujeo como airesecundario, se inyecta en los ga-ses de combustin aguas abajo de la ignicin inicial del carbn, para completar la combustin.

El airesecundario debe facilitar una

adecuada penetracin buena mezcla con los gases de combustin para alcanzar la combus

tin completa y minimizar el CO que se emita a la atmsfera.

La penetracin del airesecundario depende

del calibre de las toberas de la velocidad del aire de la densidad de los gases y del aire En los lechos fluidificados circulantes hay que tener en cuenta la densidad de los slidos en el punto de inyeccin del airesecundario.

Cerramiento de la caldera.-El correspondiente al hogar y al rea de conveccin suele ser convencio-nal, estando construido por paredes de tubos membrana refrigerados por agua, soldados entre s, confi-gurando un cierre estanco a gases. El cerramiento de la caldera se utiliza tambin para soportar el te-cho, la caja del airesecundario, el sobrecalentador y otros componentes, ya que las calderas de lecho fluidi-

ficado estn suspendidas, por lo que son unidades que se expansionan hacia abajo.

Sistema de alimentacin del combustible.-Tiene un impacto mayor que cualquier otro sistema auxiliar en la evolucin de las calderas de lecho fluidificado, existiendo tres grandes grupos: Alimentacin inferior, superior e interior a) Sistema de alimentacin inferior.-Se utiliza en calderas de lecho burbujeante que queman carbn bituminoso; es un equipo de transporte neumtico, que desplaza el carbn desde el lugar de almacena-miento hasta el lecho. Si se quema carbn bituminoso y combustibles menos reactivos, el combustible se distribuye por toda la superficie del lecho con la mayor uniformidad posible; los tubos de los puntos de alimentacin de carbn distan 4 ft (1,2 m) entre centros y se colocan por todo el lecho.

Un sistema de alimentacin inferior consigue una eficacia entre 2% 4% en la combustin de carbones bituminosos.

- Se debe trocear a menos de 0, 25" (6,4 mm)

-Se debe secar hasta menos del 6% de humedad El combustible exige tener presente que: - La erosin de tuberas puede ser relevante

-El equipo de presurizacin tiene un mantenimiento importante -El coste de explotacin supera el de sistemas de alimentacin superior b) Sistema de alimentacin superior.-Se utiliza en calderas de lecho fluidificado burbujeante que quema combustibles reactivos y carbones bituminosos.

Los alimentadores estn por encima del nivel del lecho, en donde la presin de los gases del hogar es ligeramente inferior a la presin atmosfrica; esta ubicacin simplifica la alimentacin, puesto que el flujo de carbn no est presurizado; utiliza el mismo equipo de alimentacin de combustible que el alimentador superior de los hogares mecnicos, siendo ms sencillo que el de alimentacin inferior, por lo que tiene algunas limitaciones:

-El carbn se trocea hasta un tamao mximo de 1,25 (31,8 mm) -Los finos presentes (menores que 30 mesh) se limitan con el fin de que la combustin no se complete en la zona libre que est inmediatamente sobre el lecho -La cantidad total de finos en el combustible debe ser relativamente importante

Fig XVI.17.- Comparacin entre alimentadores de carbn inferior y superior al lecho En la Fig XVI.17 se compara la eficiencia de la combustin con un sistema de alimentacin inferior

y superior del carbn, con dos tipos de combustible distintos:

- Se observa que el primer carbn es mucho ms reactivo que el segundo, por lo que la alimentacin inferior produce una combustin ms eficiente, que aumenta recirculando hacia el hogar los slidos capturados en un multicicln.

Un lecho fluido circulante con una velocidad mayor de fluidificacin, presenta un proceso de mezcla de combustible de mejores caractersticas que las de uno burbujeante, por lo que en el primero se requiere un menor nmero de puntos de alimentacin.

Sistema de alimentacin del absorbente.- Para capturar el SO2 en la caldera de lecho fluidifica-do, se aade caliza o doloma, por la parte inferior del hogar.

El diseo del sistema de alimentacin del absorbente debe tener en cuenta:

-El punto de inyeccin de este material en el hogar -La presin del hogar en dicho punto -El procedimiento a utilizar para la inyeccin Cuando se trata de lechos con alimentacin inferior, el absorbente se mezcla e inyecta con el combustible, ya que por su finura no se puede alimentar adecuadamente con un alimentador independiente.

Sistema de evacuacin de la ceniza del lecho.-Cuando en una caldera de lecho fluidificado se quema un combustible con una cierta cantidad de ceniza, sta se libera del carbn dentro del hogar de la caldera al tiempo que se alimentan el absorbente y los materiales inertes, por lo que hay que proveer los medios necesarios para la evacuacin de slidos del sistema.

En una caldera de lecho fluidificado, hay dos ubicaciones desde las que se evacuan los slidos:

-La constituida por el drenaje del lecho -La que corresponde al filtro de sacos o al colector-precipitador electrosttico Cuando se trata de combustibles con ceniza con gran cantidad de lcalis, resulta imprescindible drenar el material del lecho de la caldera, para evitar una concentracin alcalina en el lecho; si la con-centracin de lcalis sobrepasa el 5 6% del peso del lecho, la probabilidad de que se formen aglomerados de escorias aumenta de forma notable.

Otro caso se presenta cuando el combustible tiene elevados contenidos de:

-Materia rocosa (pizarra) -Ceniza de tamao superior a 0,5 (12,7 mm) ya que existe una cierta tendencia a que ese material incombustible se acumule en el lecho, lo que impli-cara una prdida de fluidificacin; para evitar esta situacin, el material acumulado se remueve hacia el drenaje del lecho, para su evacuacin.

Sopladores.-En las calderas de lecho fluidificado, el combustible se quema a una temperatura in-ferior a la de ablandamiento de su ceniza, por lo que la ceniza volante que circula con los gases no alcan-za el estado plstico en ningn caso, formando un polvo seco que es fcil de retirar de las superficies ter-mointercambiadoras de la unidad.

En superficies termointercambiadoras adecuadamente espaciadas y con un diseo que tiene en cuenta la formacin de ceniza volante, la unidad funciona satisfactoriamente alcanzando los valores de

seados de temperatura en el sobrecalentador eficiencia en la combustin y en la caldera Si los combustibles tienen altos contenidos de Na o K en sus cenizas, especialmente en los siste-mas de alimentacin superior de combustible, existe una alta probabilidad de ensuciamiento en la zona del paso de conveccin, por lo que requieren equipos de sopladores.

XVI.9.- DISEO DE CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO

Hasta 1990, la mayora de las aplicaciones de lecho fluidificado burbujeante consistan en instala-ciones con una capacidad de generacin de vapor inferior a 200.000 lb/h (25,2 kg/s); desde entonces, las unidades nuevas son de mayor capacidad, queman carbn y pertenecen al tipo de caldera de lecho flui-dificado circulante. Unidades antiguas de gran potencia han modernizado sus generadores de vapor con lechos burbujeantes, ya que stos son ms compatibles para estos cambios, que los circulantes.

En algunas aplicaciones los lechos burbujeantes se han empleado para cumplimentar las exigen-cias de reducir las emisiones de SO2, mientras que en otras, el cambio del proceso de combustin por le-chos fluidificados se motiv por problemas operativos derivados del combustible.

Remodelacin con lechos burbujeantes.-En 1986, las parrillas mviles de una unidad de la planta termoelctrica R.M.Heskett de 80 MW, de la Montana-Dakota Utilities, USA, se sustituyeron por un lecho fluidificado burbujeante,

Fig XVI.18.- Esquema de instalacin de caldera con lecho fluidificado El alto contenido en Na de las cenizas del combustible provocaba severas escorificaciones y ensuciamiento en la superficie de la caldera y del sobre calentador, por lo que en estas condiciones la potencia se reduca, durante prolongados perodos, a 50 MW. Para minorar la temperatura de operacin del hogar y evitar la escorificacin y el ensuciamiento, y poder alcanzar de nuevo la potencia nominal, se hicieron las siguientes transformaciones:

- Se instal un lecho fluidificado burbujeante de dimensiones: 40x 26 ft = (12,2 x 7,9 m) y se ubic debajo de la caldera con muy pocas modificaciones de las partes a presin -La placa distribuidora y las paredes de cerramiento estaban refrigeradas por agua -Las superficies de la caldera y del sobre calentador estaban sumergidas para limitar la temperatura del lecho a 1.500F (816C) -La profundidad del lecho era de 54 (1,372 m) y la velocidad superficial de 72 ft/s (3,7 m/s), en condiciones de lecho expandido No existe recirculacin de polvo porque el lignito utilizado es muy reactivo, y como tiene poco S y muchos lcalis se usa arena como material de lecho.

Calderas de lecho fluidificado circulante.- Su diseo se basa en colocar un sistema de refrigeracin por agua, facilitando la instalacin de un cerramiento estanco a gases, para operar con presin positiva en el hogar. El diseo no tiene conductos de humo revestidos con refractario de alta temperatura en las proximidades del separador-colector primario de partculas; este tipo de construccin es posible utilizando un separador-colector primario de slidos, (perfil en U), que se incorpora fcilmente dentro del cerramiento de la caldera.

Luminoso bajo en voltiles; tiene una capacidad de 465.000 lb/h (58,6 kg/s) de vapor a 1550 psi (107 bar), 955F (513C) El combustible y el absorbente se introducen en el lecho a travs de la parte interior de la pared frontal del hogar. La ceniza y el absorbente consumido se evacan mediante tuberas de drenaje ubicadas en el fondo del hogar.

Los slidos que se separan en el colector de perfiles en U se reciclan (en el multicicln) y devuelven a la parte inferior del hogar a travs de la pared posterior del mismo.

El aire primario entra en el hogar a travs de la placa distribuidora y el airesecundario se inyecta a unas cotas que se encuentran a 6 y 12 ft = (1,8 y 3,7m) sobre la placa.

La totalidad del hogar en su parte inferior, hasta una cota de 22 ft (6,7 m) por encima de la placa distribuidora, est recubierto con una fina capa de refractario de alta conductividad, sujeta a los tubos de agua mediante esprragos soldados. En la parte inferior del hogar se usa refractario para proteger los tubos de la corrosin y erosin; en el resto del cerramiento del hogar los tubos van desnudos.

Un diseo moderno de caldera de lecho fluidificado circulante emplea un separador de impacto, que rene y recircula los slidos hacia el hogar. El sistema de separacin primaria consta de perfiles acana-lados en forma de U, que se cuelgan del techo de la caldera, Fig XVI.21. Las partculas slidas que im-pactan en los perfiles en U se separan del resto de los gases y se envan por el interior de los perfiles al fondo donde se descargan.

Diseos recientes incorporan separadores-colectores de perfiles en U con dos escalones, mediante los cuales se consigue una mejora en la eficiencia de separacin de slidos:

- En el primer escaln, ubicado en la parte superior del hogar, los slidos recirculan directamente hacia la parte baja del hogar .- Para el segundo escaln, ubicado aguas abajo del hogar en el sentido de la circulacin de gases, se monta una tolva de almacenamiento de partculas; el material separado por este escaln de perfiles en U se recicla a la parte baja del hogar mediante una vlvula en L de control de flujo, Fig XVI.18 Los slidos separados y recogidos en la tolva de almacenamiento circulan por una tubera vertical y constituyen una de las fuentes de slidos para el hogar.

Fig XVI.20.- Vista de una caldera de lecho fluidificado circulante XVI.-485

Fig XVI.21.- Recirculacin de partculas en una caldera Fig XVI.22.- Tubos membrana con protuberancias de lecho fluidificado circulante El flujo de slidos se induce mediante la inyeccin de una pequea cantidad de aire en la vlvula L, de forma que se pueden recircular cientos miles de kg/h de partculas, con flujos de aire del orden de 4,7.10-3 m3/s.

La descripcin de los componentes de diseo de las calderas KCIL y SIU IR-CFB que se presentan en las Fig XVI.22 y 23, y condiciones de diseo y datos del combustible, Tabla XVI.2, son:

-Hogar de la caldera -Separadores de slidos, vigas U -La ceniza secundaria se recicla al sistema -Sistema de drenaje del lecho y refrigeradores de la ceniza -Sistema de alimentacin del combustible por gravedad asistido por aire -Inyectores de aire refrigerados por agua -Superficies de conveccin para la recuperacin del calor -Calentador tubular de aire horizontal (slo en KCIL) -Ventiladores primarios y secundarios de inyeccin de aire y ventiladores de induccin -Quemadores y lanzas sobre el lecho (slo en SIU) -Precipitador electrosttico y depurador de filtros El carbn pulverizado procedente del silo de carbn se introduce arrastrado por los alimentadores de cadena a travs de la pared delantera para el KCIL, y un alimentador gravimtrico a travs de la pa-red lateral para el SIU. La caldera KCIL se disea con dos puntos de alimentacin del combustible, (la SIU tiene un solo punto de alimentacin) y 4 puntos de reinyeccin secundaria de slidos, (la SIU tiene un solo punto de reinyeccin de slidos) que estn localizados en la parte posterior de la pared de la cal-dera en la zona primaria. La caldera KCIL tiene dos drenajes del lecho del hogar y dos refrigeradores de ceniza en el fondo del lecho fluido, mientras que la caldera SIU lleva slo uno.

Puesta en servicio de las calderas de lecho fluidificado.-Se ponen en servicio estableciendo un primer flujo de aire a travs de la unidad, calentando el material del lecho hasta una temperatura que est por encima de la temperatura de autoencendido del combustible que se va a usar, para asegurar que su combustin se inicie de forma segura, nada ms entrar en el hogar.

El calor necesario para elevar la temperatura del material del lecho hasta el nivel deseado, se facilita mediante un quemador situado en el conducto de suministro de aire un quemador situado sobre el lecho; como alternativa se puede emplear una combinacin de ambas disposiciones de quemadores.

Tabla XVI.2.-Condiciones de diseo y datos del combustible para los sistemas KCIL y SIU

El tipo de quemador ubicado sobre el lecho se utiliza para lechos fluidificados circulantes y para lechos fluidificados burbujeantes que no tengan superficies sumergidas en el lecho.

Cualquiera que sea el sistema de quemador empleado, ste tiene que contar con equipos de seguridad de la llama, que deben incluir detectores de llama independientes y circuitos de control que permitan realizar, en cualquier emergencia y por razones de seguridad, el disparo o parada de los quemadores.

Los combustibles habituales tienen temperaturas de encendido muy diferentes; en la Tabla XVI.3 se indican algunos combustibles y las temperaturas de lecho mnimas a alcanzar, antes de que se alimente el combustible.

Fig XVI.23.- Vista de la caldera Kanoria IR-CFB

Fig XVI.24.- Caldera CFB, Universidad de Illinois Fig XVI.25.- Vista inferior del hogar en los sistemas (MDC) y (ESP)

Tabla XVI.3.- Combustibles y temperatura mnima de lecho Temperatura mnima mnima de lecho

COMBUSTIBLES F (C)

Carbn bituminoso 900 a 950 (482 a 510)

Lignito 900 482

Antracita 1.000 a 1.050 (538 a 566)

Madera hmeda 1.200 a 1.250 (649 a 677)

Fuelleos 1400 760

Gas natural 1400 760

La temperatura real del lecho para un combustible particular se determina mediante ensayos; una vez establecida para el lecho una temperatura mnima segura, slo se precisa medir la temperatura de este lecho, para que el control la mantenga por encima del mnimo cuando se est alimentando combustible; a medida que el combustible se introduce en el lecho, se enciende liberando su energa, con lo que la temperatura del lecho subir por encima del valor mnimo de referencia.

Cuanto ms aumenta el flujo de combustible, tanto ms elevadas sern las temperaturas que se alcancen en el lecho fluidificado, proceso que contina hasta que se llega a la carga de caldera deseada.

Control del sistema.-Las caractersticas funcionales de control y de operacin, son vlidas para unidades de lecho fluidificado y unidades convencionales.

Las diferencias de las calderas de lecho fluidificado respecto de las convencionales son:

- La necesidad de vigilar y controlar el transporte de una gran cantidad de slidos en cualquier caldera de lecho fluidificado -La necesidad de controlar la relacin entre los flujos de aireprimario y airesecundario con el fin de alcanzar las mnimas emisiones y prdidas por sin quemado.Como es posible el control de slidos de flujos de aire, los nicos parmetros que quedan por regular en un lecho fluidificado son temperatura del lecho y la densidad de partculas que le configuran. XVI.10.- CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL LECHO

Lecho burbujeante.-La temperatura del lecho fluidificado se controla actuando sobre el proceso de extraccin de calor. Como la superficie de absorcin de calor se sita en el interior del lecho y la recirculacin de slidos tiene una influencia mnima en la temperatura del mismo, su balance calorfico estable-ce su temperatura de operacin.

A medida que el flujo de combustible se modifica, para poder alcanzar la temperatura de operacin en el lecho es necesario modificar el balance calorfico del mismo, que se puede alterar de modo que:

a) La temperatura del lecho se controla si se reduce el flujo de combustible lo cual se consigue: -Reduciendo la profundidad del lecho y la densidad del sistema -Disminuyendo la velocidad de los gases a travs del lecho Al disminuir la profundidad de la superficie sumergida del lecho la transferencia de calor es menor, mientras que la temperatura del lecho se mantiene en el valor deseado.

b) La temperatura del lecho se controla tambin actuando sobre los parmetros de aire exceso calentamiento del aire comburente - Si se incrementa el aire exceso que fluye a travs del lecho, aumenta la cantidad de calor necesaria para calentar el nuevo caudal de aire y, por tanto, la temperatura del lecho disminuye -Si la temperatura de calentamiento del aire comburente disminuye, tambin disminuye la temperatura del lecho. Lecho circulante.- En las calderas de lecho fluidificado circulante, la densidad de los slidos se distribuye con ms uniformidad a lo alto del hogar que en las de lecho burbujeante, lo que junto con la gran cantidad de slidos que recirculan, da lugar a unas temperaturas de gases y slidos en el hogar muy uniformes. Cuando se modifican la carga o el combustible, es posible aumentar o disminuir la temperatura del hogar, regulando la densidad de slidos en el hogar. En algunos diseos la temperatura del hogar se modula mediante una superficie termo intercambiadora exterior. Tambin se puede modificar la temperatura del lecho variando el aire exceso y la temperatura de calentamiento del aire comburente.

Hay que tener en cuenta que el coeficiente global de transmisin de calor en estos lechos depende de la densidad de los slidos existentes en el mismo; modificando la densidad del hogar se puede variar la transferencia de calor desde los humos hacia la superficie de refrigeracin del hogar, controlando as la temperatura del lecho.

XVI.11.- CONTROL DE LA DENSIDAD DEL LECHO

La posibilidad de mantener la densidad que el lecho requiere, depende de las propiedades de:

-Los slidos que le configuran -Las caractersticas funcionales de los sistemas separadores-colectores y de reciclado Como el hogar est formado por el material del lecho, el absorbente, el material inerte y la ceniza del combustible, cada uno de estos componentes se debe controlar adecuadamente.

El control necesita que la cantidad de slidos en el hogar sea igual o exceda de la que se requiere para soportar una combustin estable, al tiempo que regule la correspondiente temperatura del lecho.

Si con los gases sale una gran cantidad de slidos de la caldera:

-La proporcin de slidos en el hogar decrece -La estabilidad de la combustin puede ser inaceptable -La temperatura del hogar puede subir Esto se corrige modificando la distribucin de tamaos de las partculas de los slidos alimentados a la caldera, o aportando algn tipo de control de la densidad del lecho.

Lecho burbujeante.-Su densidad depende de:

-El balance de slidos alimentados -La purga del drenaje del lecho -Los slidos elutriados -Las prdidas que se producen a travs de los separadores-colectores finales de la unidad La cantidad de material fino que sale de la caldera con los humos depende del tamao de las partculas y de su velocidad de fluidificacin.

Cuando los slidos se recirculan desde el colector de polvo de la unidad, el flujo de slidos en la zona que hay por encima del techo se incrementa notablemente, por lo que la densidad del lecho (que se compone de partculas no arrastradas) no se altera.

Desde un punto de vista prctico, el flujo mnimo de alimentacin de slidos debe aportar el material suficiente para reponer las partculas sobredimensionadas que se hayan extrado del lecho.

Cuando se tiene una entrada de slidos por encima del valor mnimo, la cantidad de partculas drenadas del lecho se debe ajustar para mantener la densidad deseada en el mismo, lo que se controla manteniendo la cada de presin correspondiente a la densidad requerida.

Lecho circulante.- La cantidad de slidos que sale del hogar con los humos y la densidad del lecho son dos parmetros relacionados entre s.

a) Los slidos que salen del hogar con los humos se capturan en un separador y se devuelven al hogar, con el fin de mantener la densidad en el lecho, cuya magnitud se determina por el balance de slidos de entrada y de salida, similar al de un lecho burbujeante.

b) En un lecho fluidificado circulante, la densidad es la suma de:

-Los slidos en el hogar -Los slidos que se encuentran en la tolva de almacenamiento de partcula.-Los slidos que hay en las tuberas verticales de las vlvulas L Como la cantidad de slidos que circula a travs de las vlvulas L es mucho mayor que la de entra-da de slidos, la densidad puede variar, entre hogar y almacenamiento, en un 10 20% por minuto, lo que facilita por el control una rpida respuesta a los cambios

La divisin entre el lecho denso y la parte superior del hogar depende:

-De la distribucin del tamao de las partculas que existan en el hogar -De la velocidad de los humos correspondientes a la primera zona y a la parte superior del hogar Con el fin de aportar la densidad suficiente en la parte superior del hogar y de satisfacer los requisitos de transferencia de calor, la densidad total del sistema se controla mediante la purga del lecho, que debe ser suficiente para prevenir la acumulacin de material basto en el lecho denso.

Si la purga del lecho requerida por la eliminacin del material basto, es mayor que la que se precisa para el control de la densidad total, se produce una reduccin importante en la densidad del hogar superior, por lo que hay que tomar medidas para llevar de nuevo el sistema a un balance que sea correcto.

La distribucin del tamao de slidos en el hogar se corrige:

-Modificando la distribucin del tamao de partculas en los slidos de entrada -Clasificando y reciclando una parte del flujo de purga del lecho Al igual que para los lechos burbujeantes, la cada de presin en el hogar del lecho fluidificado circulante es un indicativo para el control.

XVI.12.- CONTROL DEL AIRE SECUNDARIO En una primera fase, el reparto del aire comburente entre, se realiza con vistas a la optimizacin de la combustin completa y de las emisiones de CO y NOx.

La Fig XVI.26 muestra unas curvas del flujo de aire, en funcin de la carga, para una caldera que quema carbn bituminoso.

Como consecuencia de las variaciones en la cantidad de combustible relativas a los cambios de car-ga, el reparto final del aire comburente, entre aire primario y airesecundario depender del funcionamiento de la unidad y del sistema de control, que actuar para afinar la combustin ptima y la distribucin de la densidad del hogar.

Fig XVI.26.- Distribucin del flujo de aire en una caldera que quema carbn bituminoso

Fig XVI.27.- Caldera de lecho fluidificado burbujeante, (Specs), soportada por abajo. (BFB)Reduce emisiones de NO2 y SO2 y quema combustibles con Poder calorfico entre 2800 y 3500 Btu/lb sin apoyo de otros combustible

Fig XVI.28.- Caldera de lecho fluidificado burbujeante, (Specs), soportada por arriba. (BFB)

Fig XVI.29.- Caldera CFB con recalentador XVI.-493

Fig XVI.30.- Caldera CFB sin recalentador