Características de Atomizadores y Quemadores de Fuel

El combustible líquido, para poder ser quemado, debe estar pulverizado en pequeñas gotas. Lo que se inflama no es el combustible en sí, sino los vapores que desprende. La generación de dichos vapores es natural a temperatura ambiente y aumenta con la temperatura de la llama del quemador. Para vaporizar el combustible existen unos elementos denominados atomizadores, cuya función es subdividir el combustible en pequeñas gotas y repartirlo homogéneamente por la cámara de combustión.

Para que los atomizadores sean capaces de desempeñar dicho cometido, es importante que mantengan una presión adecuada sea cual sea el caudal, para conseguir tanto la pulverización como la repartición del combustible.

Eliminación de NOx en Calderas: Sistemas y Reacciones Químicas

El óxido de nitrógeno se forma como consecuencia de la reacción química del oxígeno con el nitrógeno. En función de la cantidad de oxígeno y la temperatura, se forma una cantidad mayor o menor de óxido de nitrógeno.

• Nitrógeno del aire: Es el que contribuye en mayor cantidad. Se forma por la reacción química del nitrógeno que contiene el aire con el oxígeno.
• Nitrógeno del combustible: Se forma con la reacción del nitrógeno que contiene el combustible con el oxígeno. Contribuye en menor cantidad.
• Prompt: Método muy rápido que genera poca cantidad de NOx.

La eliminación del NOx en calderas se produce mediante la SCR (Reducción Catalítica Selectiva) o la NSCR (Reducción Catalítica No Selectiva).

SCR: Se reduce la cantidad del NOx por medio de una reacción química con un catalizador. Estas reacciones dependen de la temperatura, con lo que cada 10 grados se duplica su velocidad. El elemento que se hace reaccionar con el NOx es el amoniaco o la urea (alto contenido en amoniaco), obteniendo agua y nitrógeno. Este método es independiente de la temperatura a la que se encuentren los gases, ya que el catalizador fuerza la mezcla de los gases con el amoniaco, produciendo la reacción química.

La NSCR, que es dependiente de la temperatura de los gases para que se produzca la reacción química, ya que se realiza en el conducto de salida y sin el elemento mezclador. Este sistema tiene en cuenta el punto donde se debe realizar la mezcla del amoniaco con los gases y, dado que la temperatura varía en función de la carga, hay varios puntos de inyección. El margen de error térmico para que se produzca la reacción es de 100 ºC.

La NSCR, que es dependiente de la temperatura de los gases para que se produzca la reacción química, ya que se realiza en el conducto de salida y sin el elemento mezclador. Este sistema tiene en cuenta el punto donde se debe realizar la mezcla del amoniaco con los gases y, dado que la temperatura varía en función de la carga, hay varios puntos de inyección. El margen de error térmico para que se produzca la reacción es de 100 ºC.

Análisis Inmediato del Carbón

Análisis elemental: Para conocer la cantidad de elementos por los que está formado el carbón y en qué porcentaje.

Análisis inmediato: Análisis que nos permite separar el carbón en grandes grupos que lo forman (agua, partículas volátiles, carbón, cenizas).

Se calienta el carbón de masa m a una temperatura cercana a los 100 ºC con el fin de evaporar toda el agua que contiene. Se obtiene una masa más pequeña m1 que, restándola a la primera, nos permite conocer la cantidad de agua que contiene el carbón.

((m – m1)/ m )*100 -> Porcentaje de agua.

En segundo lugar, se calienta el carbón hasta una temperatura de 925 ºC sin aire, con lo que se obtiene una masa m2. Relacionando esta masa con las anteriores, se obtiene el porcentaje de partículas volátiles que contiene el carbón.

((m1 – m2)/ m )*100 -> Porcentaje de partículas volátiles.

La masa m2 se quema y se obtiene la masa m3, que corresponde a las cenizas.

La cantidad de carbón se conoce de restar m3 a m2 y, relacionándolas, obtenemos:

((m2 – m3)/ m )*100 -> Porcentaje de carbón fijo.

El porcentaje de cenizas es m3 /m *100.

Quemadores de Copa Rotativa: Esquema y Funcionamiento

Este atomizador se caracteriza por tener un eje que mueve un ventilador, impulsando aire y, además, una copa troncocónica. El combustible sale a la copa en (a) y, por la fuerza centrífuga, se aplasta contra los laterales de la copa. El combustible avanza hacia la salida. En (2) hay la entrada de aire regulada por una palomilla de regulación de caudal. El motor gira a 3000-4000 rpm. La presión del aire depende de las revoluciones del motor, por lo que se dispone de un amplio rango de regulación en función del caudal de combustible. El problema de estos atomizadores es la alta velocidad a la que salen las gotas, teniendo tendencia a alejarse del atomizador. Para evitar que este alejamiento apague la llama, existen sistemas de estabilización (pregunta 8).

Reacciones de la Reducción Catalítica Selectiva (SCR) de NOx

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

Quemadores Ciclónicos de Carbón Pulverizado: Esquema y Funcionamiento

El carbón pulverizado se introduce con aire a la cámara cilíndrica. Esta mezcla avanza según un movimiento longitudinal giratorio de un extremo al otro de la cámara. Al llegar al extremo, un elemento cónico somete al aire y el carbón a un cambio de dirección y, además, debido a su forma, consigue reducir el radio de giro, por lo que el carbón y el aire avanzan hacia el extremo de donde provienen, donde un elemento similar le produce el mismo efecto, saliendo por el extremo opuesto al inicial al exterior.

El aire se introduce por etapas.

Tipos de Generadores que Queman Carbón en Lecho Fluido

Se caracterizan por la introducción de aire por su parte inferior del recipiente, de forma que se genera un movimiento de los trozos de carbón en sentido ascendente. Esto produce un efecto en el carbón que lo hace comportarse como un fluido, consiguiendo que la pila de carbón pase de ser piramidal a ser plana. La fluidificación genera un movimiento parecido a las corrientes de convección que facilita la quema del combustible. En la superficie se genera mucho movimiento de partículas, parecido a una olla hirviendo. Si la fuerza del aire no es suficiente para que los trozos de carbón salgan del recipiente, se denomina lecho fluido burbujeante; si es al revés, lecho fluido circulante.

En este caso, los trozos que salen son reintroducidos para finalizar su quema. En algunos casos se puede introducir elementos con el objetivo de eliminar los NOx. En función del aire que se introduce por la parte inferior, se conocen sistemas:

1. Lecho fluido burbujeante
2. Lecho fluido circulante

Densidad de Combustibles Líquidos: Definición y Unidades

Relación entre masa y volumen. Se puede entender como lo que pesa una unidad de volumen. La densidad varía con la temperatura del cuerpo, ya que este se dilata, creciendo de volumen y variando así la relación masa-volumen. Las unidades fundamentales para la densidad son los Kg/m3, aunque en combustibles se suele usar la densidad relativa, que corresponde a la relación entre la densidad del combustible y la del agua a la misma temperatura, siendo, por lo tanto, un coeficiente adimensional.

Esquema y Explicación del Suministro de Gas a un Quemador de Combustible Gaseoso

En el siguiente esquema se muestra el paso del gas del depósito donde se almacena al quemador. Este sistema incluye dos quemadores, por lo que la instalación está doblada, así como todos sus elementos también.

Los principales elementos por los que está formado el sistema son: la entrada de gas (1), la válvula de paso (2), el filtro para evitar el paso de impurezas (3), regulador de presión con sus dispositivos de seguridad para controlar que la presión interna del conducto de gas sea correcta (4), posteriormente tenemos electroválvulas (5) con sistema de estanqueidad (6) para asegurar que no se producen pérdidas de gas y, finalmente, los quemadores (7).

Regulador de Presión con Sistema de Seguridad

La parte principal del regulador de presión es la válvula 1, que regula el paso de gas en función de la presión que mide inmediatamente después de ella misma 2.

Esta válvula está dotada de una pieza elastomérica 3 que se deforma. Esta pieza es solidaria al vástago de la válvula, estando a la presión del conducto por una parte y, por la otra, a presión atmosférica (4). En función de la presión del conducto, la pieza elastomérica se deforma más o menos, abriendo más o menos la válvula gracias a superar la presión de un muelle (5), cuya fuerza efectiva se regula con un tornillo (6).

También consta de otro sistema de seguridad (8) situado antes de la válvula principal. Este mide (7) la presión interna del conducto después del paso por la válvula principal (1) y, si excede cierto valor, se cierra, cortando el paso de gas. Finalmente, existe otro sistema de seguridad (9) situado después de la válvula reguladora de presión que evacua el gas si se excede cierto valor de presión.

Principio de Funcionamiento de un Filtro Electroestático de Partículas

Para evitar que las partículas en suspensión, especialmente en los combustibles sólidos, se escapen junto a los gases de escape, se deben colocar filtros que limpien estos gases de las partículas que llevan. Uno de los filtros usados es el electroestático.

Consiste en unas placas metálicas entre las cuales hay unas varillas. Estas están cargadas eléctricamente con un polo negativo, por lo que, al pasar las partículas por su alrededor, también se cargan negativamente. Por su parte, la placas metálicas están conectadas al polo positivo. Esto provoca que las partículas, al pasar por alrededor de las placas, se queden pegadas a ellas y dejen los gases de escape libres de estas.

Para la limpieza de las placas, se golpean con unos martillos que giran solidarios a un eje. Las partículas caen a un colector inferior. Dependiendo del diseño del filtro, es necesario parar el flujo de gases.

¿Qué es el Punto de Turbidez o Cloud Point?

El pour point corresponde a bajas temperaturas a las cuales los combustibles precipitan parafinas que se vuelven sólidas. Esto provoca la turbidez o enturbiamiento del combustible (efecto visual por el que se ve más sucio) y puede provocar la obstrucción de determinados filtros.

Métodos para Evitar la Formación de NOx en Calderas

Para evitar la formación de óxidos de nitrógeno en las calderas, se aplican los siguientes métodos: los óxidos de nitrógeno se forman con la reacción del nitrógeno procedente del aire o del combustible con el oxígeno. Además, las altas temperaturas facilitan la reacción. Es por esto que, para reducir la cantidad de NOx formados en la calderas, se introduce el aire por etapas. En la parte cercana a la llama del quemador, donde la temperatura es más alta, se introduce defecto de aire. En una segunda etapa, más lejana a la llama del quemador, se introduce aire en mayor cantidad, pero aún en una cantidad menor a la estequiométrica. Finalmente, en una tercera etapa más lejana, el aire se introduce en exceso.

Funcionamiento y Explicación de los Distintos Detectores de Llama

Detectores de Llama de Temperatura

Se basan en regular la llama en función del control de la temperatura en la zona de la llama. Se usan materiales bimetálicos que se deforman con la temperatura, abriendo y cerrando circuitos eléctricos que generan señales que permiten controlar los elementos del circuito.

Presentan el problema de ser lentos, ya que la deformación del material requiere cierto tiempo. En este tiempo sigue entrando combustible al quemador, pudiéndose producir una explosión.

Detectores de Ionización

Los gases que se producen en la combustión están ionizados, por lo que, aunque su resistencia sea elevada, son conductores. Esto permite colocar dos electrodos separados y se aplica una diferencia de potencial entre ambos; si hay conducción entre ellos, hay llama. El problema que presenta este sistema es la deposición de partículas entre los electrodos, que están situados de manera próxima. Esto produce el aislamiento permanente entre ambos.

La solución pasa por colocar una placa y un electrodo cilíndrico y, entre ambos, una diferencia de potencial. En función de cuál sea el ánodo y cuál sea el cátodo, habrá más o menos conducción de electrones y de mayor o menor tamaño.

Detectores de Radiación

Sistema que aprovecha la radiación de la llama, cuya intensidad es proporcional a la temperatura a la cuarta potencia. Existen detectores de radiación de la llama y, en función de la intensidad, se conoce si la radiación procede del combustible o del refractario, por lo que, consecuentemente, se conoce si hay llama o no.

Indicadores del Residuo Carbonoso en un Fuel Oil y sus Tipos

Indica la tendencia a coquizar de un combustible, es decir, a dejar residuos por inquemados. Estos residuos quedan en el inyector y pueden llegar a taponar la salida del combustible. Las unidades de medida empleadas son el Conradson y el Ramsbotton en % de peso. En función de este residuo, se deben limpiar con mayor o menor frecuencia los elementos.

Problemas en la Utilización de Fuel Oil Residual

Contenido en Azufre

Hay petróleos que lo contienen en mayor cantidad y otros que lo contienen en menor cantidad, dependiendo de los minerales. El azufre se queda en los residuos.

SO3 + H2O = H2SO4 Ácido sulfúrico.

Corrosión a bajas temperaturas: Se produce entre los 100 y 200ºC, en los que el ácido sulfúrico pasa de estado gaseoso a estado líquido, produciendo lluvia ácida. Por encima de estas temperaturas no es peligroso.

Vanadio (V) y Sodio (Na)

Estos elementos forman, a elevadas temperaturas (400 – 500ºC), sales corrosivas. Estas sales afectan a elementos de la cámara de combustión, como las válvulas de escape. En función del contenido, se conoce la agresividad en las cámaras de combustión.

Finos Catalíticos

Polvillo metálico que se usa como catalizador en el proceso de cracking. Quedan como residuo en el fuel residual. Provocan grandes desgastes por erosión.

Desarrollo de Microorganismos

Se forman en el agua que contiene el fuel. Los ácidos que desprende el metabolismo producen la corrosión.

Problema de Incompatibilidad

Sucede al mezclar petróleos de distintas procedencias. Esto puede provocar la precipitación de asfaltenos. Elementos de cadenas muy largas que pueden llegar a taponar los filtros. Se deben realizar ensayos de compatibilidad.

¿Qué es el Índice de Woobe y para qué se Utiliza?

El principal problema que presentan los combustibles gaseosos es la intercambiabilidad. La intercambiabilidad es la propiedad por la cual se puede usar un combustible en una instalación preparada para funcionar con otro combustible sin necesidad de realizar cambios en el quemador. La diferencia que encontramos entre los distintos gases utilizados es su poder calorífico. Para poder quemar el gas de reserva, se iguala su poder calorífico con el del gas habitual mezclándolo con aire.

El índice de Wobbe relaciona el PCS del gas con la raíz de la densidad de este. El índice de Wobbe, pues, debe ser igual para el gas habitual y para el de repuesto.

Clasificación de Carbones según su Contenido en Carbono

• Antracita: El más antiguo y el que más contenido en carbono tiene (80 – 90%). Es muy caro y se usa en la industria metalúrgica.
• Hulla: El combustible clásico o carbón térmico. De un 75 a un 90%. Más asequible.
• Lignito: Contiene entre un 65 y un 75 % de carbono. Tiene alto contenido en minerales, por lo que genera ceniza.
• Turba: Debido a su bajo contenido en carbono, entre un 55 y un 65%, es muy poco usado.

Definición y Explicación Razonada de los Tipos de Poder Calorífico de Combustibles

Por poder calorífico se entiende la cantidad de calor (KJ) que se desprende de quemar una unidad de combustible (kg o m3). El poder calorífico se mide por medio del calorímetro, que es un recipiente con las paredes aisladas donde, en su interior, se quema una pequeña cantidad de combustible. En las paredes de alrededor del calorímetro hay tubos de agua y, en función de la temperatura que alcanza el agua, se determina el poder calorífico del combustible. Existen dos poderes caloríficos; la diferencia entre ambos reside en los hidrocarburos, que son los combustibles que, al quemarse, generan vapor de agua. El PCI se obtiene si, después de quemar el combustible, se abren las compuertas del calorímetro y los gases de la combustión salen al exterior. Por otro lado, el PCS se obtiene si, una vez realizada la combustión, se mantienen los gases dentro del recipiente, puesto que, al ser vapor de agua, condensando este tiene un coeficiente de transferencia de calor por convección muy alto y aumenta la temperatura del agua.

Las unidades en la que se expresa son kj /kg o kj/nm3, siendo n 1atm y t 25ºC.

Existen maneras de pasar el cálculo de PCS a PCI, aunque la diferencia es poca.

Tipos y Características de Hidrocarburos Presentes en los Combustibles Líquidos

Saturados: Hidrocarburos de enlaces simples con cadenas más o menos largas, tienen más hidrógeno. Existen cadenas lineales llamadas hidrocarburos parafínicos que pueden tener ramificaciones. Del tipo CnH2n + 2.

Cíclicos o cicloparafínicos: Tienen menos hidrógeno, ya que se pierden los de los extremos. Responden a:

Aromáticos: Los más comunes junto con los anteriores. No son saturados al tener doble enlaces y están basados en el benceno. Su proporción varía según la procedencia del petróleo. Los aromáticos son los hidrocarburos que más tiempo tardan en quemar y, a diferencia de los parafínicos, pueden dar problemas.

Elementos de la Instalación

1. Depósito de combustible: El combustible se calienta en un depósito para reducir su viscosidad, aproximadamente a 60ºC, por medio de un serpentín de vapor interno. Dispone de una válvula de control de la temperatura del vapor.
2. Filtro de fuel: Filtro no muy fino porque el combustible tiene alta viscosidad.
3. Bomba de transferencia: Transfiere el fuel del depósito a las bombas generales.
4. Filtros fríos: Poco finos, para proteger las bombas.
5. Bombas generales.
6. Calentadores de fuel: Se disponen de 3. Cada uno de ellos tiene una capacidad del 50%, por lo que solo funcionan dos. El otro, de repuesto.
7. Viscosímetro: Controla la viscosidad del combustible abriendo y cerrando las válvulas de vapor, calentando más o menos el fuel para su correcto atomizado.
8. Caudalímetro: Mide el caudal de combustible que entra a los quemadores y el que sale de estos. Comparando, obtiene consumos.
9. Quemadores.
10. Válvulas de seguridad.
11. Retorno de combustible: Retorna el combustible sobrante al depósito, a las bombas generales o a otra caldera.

Se debe tener en cuenta que:

Presión y temperatura del combustible antes de los calentadores: (60ºC y ¾ bar)

y después es de (150ºC y 6 bar).

Ordenación de los Diferentes Eliminadores de Contaminantes de los Gases de Escape: Esquema y Explicación

Se usan el SCR para la eliminación de NOx, el filtro de partículas sólidas y el Scrubber para la eliminación de los SOx. Se suelen ordenar de distintas formas, suponiendo cada ordenación una serie de convenientes e inconvenientes.

Caso 1

En primer lugar, se pasa por el catalizador, ya que la elevada temperatura favorece la reacción. A continuación, se coloca el recalentador que enfría estos gases; estos pasan por el precipitador de partículas electroestáticas, donde se dirigen a un intercambiador de calor antes de pasar por el Scrubber.

La ventaja de esta colocación es que la colocación del recalentador después del catalizador permite construir el resto de elementos con materiales no térmicos.

Por otro lado, tiene el inconveniente de que las partículas sólidas no son filtradas hasta haber atravesado dos elementos.

Caso 2

Precipitador de partículas electroestático de alta temperatura, SCR, PCA, IGG, DGE.

La ventaja es que se evita el paso de partículas sólidas por otros elementos. El inconveniente es el precio de colocar un PEE de alta temperatura.

Caso 3

Incorpora un calentador adicional para el SCR. El resto, a baja temperatura al tener el PCA en el principio.

Ventaja: Aparte del PCA, ningún elemento es atravesado por partículas sólidas. Todos los elementos menos el SCR no requieren materiales térmicos.

Desventaja: Gasto de energía adicional.

Etiquetas: atomizadores, combustibles, emisiones, NOx, quemadores