XIV.- COMBUSTORES CICLÓN
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La denominación
caldera, mientras que la de
mechero de fuelóleo, la antorcha de gas, etc. El hogar ciclón y el combustor ciclón se desarrollaron en la
década de 1940, para quemar carbones no adecuados para la combustión, como carbón pulverizado.
La ceniza de estos carbones se caracteriza por una baja temperatura de ablandamiento y fusión,
por lo que podría llegar en estado viscoso a los sobrecalentadores de unidades que queman carbón pulverizado,
provocando serias escorificaciones.
El combustor ciclón se diseñó para utilizar una serie de ventajas, como:
hogar ciclón corresponde a la de un recinto de fuego integrado en el hogar de unacombustor ciclón comprende todos los fuegos como el quemador de carbón, el- Costes de inversión menores en la preparación del combustible y en la operación (ya que sólo se requieren trituradores
y no pulverizadores)
- Un recinto de fuego de pequeñas dimensiones
- Menos ceniza volante y menor ensuciamiento del paso de convección, puesto que en esta zona entra sólo del 15 ÷ 30%
de la ceniza del combustible, en lugar del 80% característico de las unidades que queman carbón pulverizado.
XIV.1.- DISPOSICIÓN DEL COMBUSTOR CICLÓN
El combustor ciclón es un cilindro de eje horizontal, de diámetro
6 a 10 ft
1,8 a 3 m
, adosado por su parte
posterior a una de las paredes del hogar de la caldera, Fig XIV.1.
El cuerpo del combustor ciclón está refrigerado por agua que circula por el interior de un conjunto de
tubos que configuran la superficie del mismo.
La superficie interior del combustor ciclón está recubierta con unas protuberancias puntiagudas,
soldadas a la superficie exterior de los tubos y cubiertas con un material de revestimiento refractario, al
que sirven de soporte, y que mantiene el combustor ciclón a una temperatura suficientemente alta, facilitándose
el vaciado de la ceniza desde la parte inferior de la unidad y reduciendo significativamente la
corrosión de los tubos.
El carbón triturado y algo de
a través de quemadores especialmente diseñados, ubicados en la parte cilíndrica frontal del mismo. En
el cuerpo principal del combustor ciclón (en la parte superior de la pared cilíndrica del mismo), se crea un
vórtice cuando se introduce
configuración de la combustión.
airecomburente primario y terciario, entran por el frente del combustor ciclónairesecundario, de lo que resulta un flujo gaseoso recirculante y una singularXIV.-417
Se desarrolla una capa de ceniza fundida que cubre el cuerpo del ciclón; la escoria se drena hacia el
fondo del ciclón y se descarga por medio de una piquera de escoria.
Fig XIV.1.- Caldera con combustor ciclón
Fig XIV.2a.- Combustores ciclón
XIV.-418
Fig XIV.2b.- Combustor ciclón
XIV.2.- PRINCIPIOS OPERATIVOS
Para entender el funcionamiento de un combustor ciclón hay que estudiar la combustión del carbón
pulverizado. Durante la combustión del carbón en el hogar de la caldera, la parte volátil arde sin dificultad;
sin embargo, la combustión del carbono fijo del subcoque del combustible requiere de medidas especiales,
para asegurar un suministro continuo de O
La mezcla de las partículas de carbón y de
2 a las partículas de Cinquemado.airecomburente se tiene que producir:- Con la turbulencia suficiente para que se desalojen los productos de la combustión
- Para facilitar la llegada de aire fresco hasta la superficie de las partículas
En los sistemas de combustión de carbón pulverizado se alcanzan estas condiciones reduciendo el
tamaño del carbón a un polvo extremadamente fino, de modo que el 70% de este material pase a través
del tamiz estandarizado de 200 mesh, y mezclarlo el
pasada esta fase inicial, las partículas pequeñas se arrastran por la corriente de aire, con una mezcla
mucho menor; la combustión de las partículas de carbón se completa por medio de la difusión del O
los productos de la combustión que rodean las partículas.
El hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado (relativamente grande), facilita un
tiempo de residencia suficiente para que el O
mantienen alrededor de las partículas de carbón y para refrigerar la ceniza a fin de evitar el ensuciamiento
del paso de convección.
airecomburente dotado de un movimiento rotacional;2 y de2 pueda penetrar en los productos de combustión que seCombustor ciclón.-
95% a través de la criba de 4 mesh (5 mm), según el tipo de combustible. Las partículas de carbón de
este tamaño son demasiado grandes para que se puedan quemar completamente en suspensión, ya que
pasarían a lo largo de todo el hogar de la unidad de carbón pulverizado, sin que se quemara por completo
la totalidad de su C, por lo que las partículas grandes se tienen que retener en el recinto del combustor
ciclón, con paso de aire sobre ellas para que pueda tener lugar la combustión completa.
El combustor ciclón cumplimenta lo anterior mediante la formación de una capa de ceniza fundida
que captura y retiene las partículas de masa mayor. Mientras las partículas grandes de carbón quedan
atrapadas en la capa de escoria, los volátiles y las partículas más finas arden en suspensión, proporcionando
el intenso calor radiante que requiere la combustión en la capa de escoria.
En condiciones ideales, todas las partículas grandes de carbón quedan atrapadas por la ceniza fun-
Quema partículas de carbón triturado relativamente grandes, que pasan en unXIV.-419
dida, en la que completan la combustión de su C, dejando atrás la ceniza para conformar la capa de escoria
fundida. La mayor parte de la combustión tiene lugar dentro de los recintos de fuego que constituyen
los diversos ciclones integrados en la caldera por lo que, el hogar principal puede ser más pequeño
que el hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado con la que se compara.
XIV.3.- COMBUSTIÓN EN CICLÓN
La inyección tangencial del
grandes de carbón contra la superficie interior del recinto ciclón, en donde quedan atrapadas por la escoria
y se queman completamente. Los gases de combustión calientes salen a lo largo del eje del ciclón y a
través de su boca posterior (entrada al hogar), penetran en la caldera de la unidad.
airecomburente principal crea un vórtice que proyecta las partículasDistribución del aire.-
sigue un recorrido helicoidal, Fig XIV.3; el
alta velocidad, y pasa a lo largo de la periferia del ciclón o zona de recirculación.
Desde la entrada hasta la salida del combustor ciclón, el flujo ciclónico noairesecundario entra tangencialmente en el combustor ciclón aFig XIV.3.- Configuración de recirculación de gases en combustor ciclón
Fig XIV.3a.- Posicionamiento del combustor ciclón en una caldera de 100 MW
tEn esta zona, el flujo de
del combustor ciclón, gracias al vacío que el vórtice crea en las proximidades del extremo del ciclón
donde se encuentra la entrada del quemador.
El flujo general de
del hogar, fluyendo desde la zona de recirculación hacia el vórtice del combustor ciclón.
El tiempo de residencia del combustible en la zona de recirculación es proporcional a la velocidad del
aire-humos que circula se aleja de la boca de salida y se acerca a la de entradagases calientes más cercano al eje del ciclón, se desplaza hacia la boca de entradaaire
El resto del
El
secundario, e inversamente a la sección de abertura de entrada al hogar.airecomburente se suministra como aireprimario y aireterciario.aireprimario entra tangencial al combustor ciclón, en el mismo sentido de giro que el airesecundario,XIV.-420
arrastrando carbón hacia el interior del quemador y controlando la distribución del carbón dentro del recinto
del combustor ciclón. Para carbones críticos, el
del carbón bruto demasiado lejos o cercano al vórtice, aunque tampoco se debe ajustar tan bajo como
para que se pueda acumular combustible en el quemador o cerca de él.
El
controlando el vacío vorticial y determinando la posición de la zona de combustión principal, que constituye
la fuente de calor radiante. Un incremento del
permitiendo que la zona de combustión principal se desplace hacia una zona más profunda del ciclón,
acercándose a la boca de salida del mismo y a la de entrada al hogar de la caldera.
aireprimario se minimiza para evitar el lanzamientoaireterciario pasa por el eje del combustor ciclón y se desplaza a lo largo del eje del recinto ciclón,aireterciario reduce el vacío del vórtice en el quemador,Regímenes de calor.-
Dentro del ciclón, el combustible sólido se quema liberando calor del orden de450.000 a 800.000 Btu/ft
4,66 a 8 ,28 MW
3 ht/m3
, con temperaturas de gases de combustión del orden de 3000ºF ó (1650ºC).
Los regímenes de absorción de calor en las paredes refrigeradas por agua son relativamente bajos,
40.000 a 80.000 Btu/ft
414 a 828 kW/m
2h2
, debido a que el combustor ciclón tiene una superficie proyectada comparativamente
pequeña y protegida por un revestimiento refractario.
Los
altos regímenes de liberación de calor
bajos regímenes de absorción de calor
, se combinan para asegurar unas temperaturas muy altas a
la salida del combustor ciclón, que son necesarias para completar la combustión y para mantener fundida
la capa de escoria; producen elevados niveles de NO
queman carbones bituminosos.
El combustor ciclón atrapa y quema todo el carbón que pueda manipular; el resto del combustible
no quemado, pasa al hogar de la unidad y llega a la salida de la caldera como carbón no quemado.
Durante un caldeo excesivo a largo plazo, si el ciclón opera con una atmósfera reductora, se puede
producir la corrosión y deterioro de los tubos, por ataque del sulfuro de hierro, pudiendo también causar
problemas en el hogar de la caldera y en el paso de convección de la misma.
2 característicos de los combustores ciclón queCapa de escoria.-
una escoria viscosa que cubre la totalidad de la superficie del ciclón, con excepción del área que corresponde
al frente de la abertura del
mantener fundida la escoria, limitando la absorción de calor por las paredes refrigeradas por agua.
La capa de escoria se mantiene fluida y caliente gracias a la combustión y fluye constantemente
desde el recinto del quemador hacia el hogar de la caldera, desde el que se lleva a través de una piquera
practicada en el suelo, hacia un tanque de agua.
La capa de escoria se repone constantemente mediante la ceniza del carbón que penetra en el combustor
ciclón; es por ésto por lo que los carbones bituminosos quemados en combustores ciclón necesitan
un mínimo del 6% de ceniza (sobre seco) y los carbones subbituminosos un 4% de ceniza.
Las condiciones óptimas de combustión se alcanzan cuando el
con un 2,5% de O
del ciclón tiende a disminuir.
Las calderas equipadas con grandes combustores ciclón suelen quemar con mayores niveles de O
El intenso calor radiante y las altas temperaturas funden la ceniza, configurandoairesecundario. El recubrimiento refractario del recinto contribuye aaireexceso se mantiene aproximadamente2; si se utilizan mayores o menores niveles de O2 la temperatura de operación2a la salida, para proteger los ciclones de una posible corrosión provocada por la atmósfera reductora.
El indicador principal de la temperatura de operación del ciclón es el de la temperatura de la escoria
en la piquera de salida, que depende del aporte de calor al combustor ciclón. El aporte de calor radiante
XIV.-421
indica la fracción de la combustión que tiene lugar dentro del recinto del ciclón.
En condiciones ideales de combustión, el ciclón puede capturar un 70% de la ceniza original del combustible,
en forma de escoria, y drenar después ésta hacia el hogar de la caldera, para su posterior vertido
en un tanque de escoria Fig XIV.4.
Fig XIV.4.- Comparación de distribución ceniza, entre escoria y polvo,
en una unidad grande con combustores ciclón y en una unidad típica de carbón pulverizado
XIV.4.- COMBUSTIBLES IDÓNEOS
El combustor ciclón puede manipular un amplio campo de carbones, desde los bituminosos bajos en
volátiles, hasta los lignitos, dependiendo fundamentalmente de la preparación del combustible y del sistema
de entrega; también sirve para la combustión simultánea de otros combustibles, como:
- Los derivados de desechos sólidos, las virutas de madera, las cortezas de todo tipo, el subcoque (char) de carbón, los derivados
de residuos, el coque de petróleo, los derivados de ruedas de caucho, etc.
Los fuelóleos y gases combustibles se pueden quemar en los combustores ciclón, como combustible:
- Principal
- De contingencia
- De puesta en servicio
A largo plazo, la combustión exclusiva de fuelóleo o de gas se puede mantener sólo en un combustor
ciclón con tubos desnudos, porque estos combustibles pueden destruir el revestimiento de escoria y refractario,
provocando la erosión de los tubos, lo que conduce a fallos de las partes a presión de la unidad
generadora de vapor.
Los combustores ciclón que cambian de combustible, pasando desde carbón a fuelóleo o gas, para
operar en un prolongado período de tiempo, en esas nuevas circunstancias, deben:
- Desprenderse de todo su refractario
- Anular la piquera y el vaciado de escoria
- Limpiar todos los conductos de aire
Las protuberancias de los tubos se pueden mantener, en el caso de cambio de combustible, ya que
tienen un mínimo efecto sobre la absorción de calor.
Tras un cambio de combustible, cuando se vuelve de nuevo a la utilización del carbón anterior, se
debe reponer el refractario y restablecer la piquera de vaciado de escoria.
Criterios de evaluación de combustibles.-
quemar simultáneamente en un combustor ciclón, se evalúan según diversos criterios:
Los carbones y otros combustibles que se puedena) Para asegurar una combustión estable dentro del combustor ciclón:
- El contenido en materias volátiles debe ser superior al 15% sobre base seca
XIV.-422
- El contenido en cenizas debe estar entre el
6,25% sobre base seca para carbones bituminosos
4% sobre base seca para subbituminosos
b) Con carbones bajos en ceniza no se puede desarrollar ni mantener una buena y adecuada capa de escoria, por lo que
ésta se puede espesar mediante el incremento de aire
ciclón, si lo permiten las demás condiciones operativas de la unidad.
c) El contenido en humedad para los combustores ciclón que queman carbón bituminoso estándar, no debe exceder del 20%
exceso y la consiguiente reducción de la temperatura de combustión en elPara secar el carbón con vistas a una adecuada combustión, los contenidos en humedad más elevados
requieren un mayor troceado y temperaturas del
Los combustibles húmedos requieren de un sistema de presecado, habitual en los generadores de
vapor que queman lignitos en combustores ciclón.
Otra propiedad relativa a la ceniza del carbón, es su
tendencia a formar compuestos de Fe y a iniciar un
ataque corrosivo del sulfuro de Fe al refractario y al
cuerpo del ciclón, efecto que se puede evaluar comparando
la cantidad total de S en las relaciones Fe/Ca y
Fe/Mg, Fig XIV.5.
Los granos de Fe solidificados que se encuentran en el
suelo del ciclón durante los períodos de inactividad del
mismo, constituyen un indicativo prematuro del ataque
por sulfuro de Fe.
airesecundario más altas.XIV.5.- FACTOR T
250 DE VISCOSIDAD DE LA ESCORIAUna consideración importante en la evaluación de carbones para combustores ciclón, es la característica
de la viscosidad de la escoria denominada T
tiene una viscosidad de 250 centipoise, y que divide a los carbones para su uso en los combustores
ciclón en dos categorías
250 , que es la temperatura a la que la escoria del carbónidóneos
no idóneos
; a esta viscosidad, la escoria fluye con normalidad sobre una superficie
horizontal.
Una escoria con mayor viscosidad conduce a un flujo estacionario en el combustor ciclón y en el hogar
y puede resultar demasiado espesa para atrapar las partículas de carbón no quemado con el fin de
lograr una adecuada combustión. El valor máximo de T
carbones bituminosos, es de 2450ºF (1343ºC).
Con el empleo creciente de carbones subbituminosos bajos en S, cuando éstos se queman en combustores
ciclón estandarizados, se ha establecido un límite de T
efecto de una mayor humedad del carbón sobre la temperatura de combustión en el ciclón.
Para algunos carbones, el valor T
250 recomendado para todos los ciclones que queman250= 2300ºF (1260ºC), que compensa el250 se puede reducir conforme varía la relación de componentesB
Acidos
mezcla uniforme, el fundente se suministra sobre la cinta de carbón, aguas arriba del triturador.
Si un ciclón tiene que quemar carbón con ceniza de elevada temperatura de fusión, lo mejor es ajustar
el valor de T
mayores costes en la manipulación del combustible.
La mezcla de carbones y la fusión de la ceniza son importantes con vistas a una política de mantenimiento
aceptable. Los combustibles utilizados, que se queman al mismo tiempo, se deben evaluar individualmente
haciendo especial mención al contenido de ceniza referido al % de aporte de calor.
ásicosde la ceniza, lo que se puede lograr añadiendo un fundente como la caliza; para asegurar una250 por medio de la mezcla con otro carbón diferente, aunque esta solución representaXIV.-423
Fig XIV.5.- Idoneidad de carbones para combustores ciclón,
basada en la tendencia a formar Fe y sulfuro de Fe
Tabla XIV.1- Características generales de carbones idóneos para su combustión en combustores ciclón
Mínima - bituminoso 6% sobre seco
Ceniza Mínima - Subbituminoso 4% sobre seco
Máxima 25% sobre seco
Combustión indirecta (bituminoso) - máx. 20% como se quema
Humedad Combustión directa (Subbituminoso) - máx. 30% como se quema
Con presecado - máx. 42% como se quema
Volátiles Mínimo 15% sobre seco
Bituminoso - máxima 2450ºF (1343ºC)
Subbituminoso - máxima 2300ºF (1260ºC)
Tendencias “hierro ceniza carbón/azufre” Ver Figura XIV.4
T
250XIV.6.- TIPOS DE COMBUSTORES CICLÓN PARA CARBONES
En el combustor ciclón los quemadores inyectan el carbón troceado por el extremo frontal del mismo
y le imprimen un movimiento rotacional, con el mismo sentido de rotación que el del
combustores ciclón han equipado tres tipos diferentes de quemadores de carbón: el espiral, el vorticial y
el radial, Fig XIV.6.
airesecundario; losFig XIV.6.- Quemadores de carbón en tres combustores ciclón
Quemador espiral.-
carbón a la salida del alimentador, inyectando la mezcla según un modelo de distribución con perfil cónico.
El aire
dentro del combustor ciclón, por lo que este modelo de inyección producía una alta concentración de partículas
de carbón circulando alrededor de la salida del quemador, lo que provocaba una fuerte erosión en
el bloque de desgaste del quemador.
La mezcla de
de retorno del flujo de
la válvula se ha sustituido por una mayor altura de carbón a la salida del alimentador, lo que impide el
reflujo de aire caliente hacia el alimentador y la tolva de carbón.
Se utilizó en los primeros combustores ciclón, y combinaba el aireprimario y elterciario se admitía por el centro del quemador y controlaba la posición de la llama principalaireprimario y carbón requería de una válvula rotativa de cierre para proteger el alimentadorairecomburente caliente. En los últimos modelos de quemadores espiralesQuemador vorticial.-
el carbón y
espiral, generando una configuración de inyección con perfil cónico, mientras que el carbón pene-
Elimina el mecanismo de cierre alimentando por separado el quemador conaireprimario que entra tangencialmente en el cilindro del combustor ciclón, igual que en el quemadorXIV.-424
tra en el recinto por el eje del cilindro del combustor ciclón, lo que elimina la boca de
ajustando el aire de cierre del alimentador se tiene el mismo efecto sobre la zona de vórtice del ciclón
combustor. Los bloques cerámicos de desgaste y el nuevo diseño de las entradas del quemador ciclón reducen
los problemas de erosión.
aireterciario, aunqueQuemador radial.-
radial no mezcla el carbón y el
el carbón entra tangencialmente en el quemador, con el mismo sentido de giro que el
El aire
desgaste de la boca del quemador, entran en el ciclón formando largas líneas de corriente de C concentrado;
este método reduce la concentración de carbón recirculante alrededor de la boca del quemador,
minimizando la erosión de los bloques de desgaste.
El quemador radial es el idóneo para ciclones combustores que queman carbón bituminoso; se utiliza
en unidades con combustores ciclón que queman lignitos, porque el presecado durante la preparación
del combustible, antes de su introducción en el quemador, requiere la mezcla de
Los quemadores vorticial, radial y espiral, tienen ubicaciones de entrada de carbón ligeramente diferentes;
cuando se requiere el cambio de uno a otro quemador, es preciso modificar la longitud de los alimentadores
de carbón.
Elimina la erosión de los bloques de desgaste; al igual que en el vorticial, el quemadoraireprimario hasta que se encuentran dentro del recinto del quemador;aireprimario.terciario entra axialmente, mientras que las partículas de carbón, al pasar por los bloques deaireprimario y carbón.XIV.7.- CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO
Hogar de caldera principal.-
Los combustores ciclón se construyen con diámetros que van de6 a 10 ft
1,8 a 3 m
, para unos aportes máximos de calor de
( 160 a 425).10
47 a 124,6 MW
6 Btu/ht
, respectivamente.
Tal como se representa en la Fig XIV.7, el combustor ciclón se ha utilizado en tres configuraciones
diferentes de calderas:
- Fuegos en una sola pared, con parrilla, Fig XIV.1
- Fuegos en una sola pared, con hogar abierto, Fig XIV.8
- Fuegos en dos paredes, Fig XIV.9
a) Disposición hogar apantallado en pared única ; b) Disposición hogar abierto en pared única
c) Disposición hogar abierto en pared doble
Fig XIV.7.- Disposición de combustores ciclón en calderas
La disposición de los combustores ciclón en calderas pueden ser desde:
- Un único combustor ciclón de 6 ft (1,8 m) en una sola pared para una unidad pequeña
- Hasta un conjunto de 22 ciclones combustores de 10 ft (3 m) en dos paredes para una unidad de 1100 MW
En todos los casos, el hogar de la caldera es relativamente pequeño, para así poder mantener su
XIV.-425
temperatura por encima de la que requiere la piquera de escoria (en el suelo del hogar), y también para
facilitar el flujo de escoria en las paredes del hogar.
La cámara inferior del hogar tiene un revestimiento refractario protector, que se sostiene por medio
de miles de protuberancias convenientemente soldadas a los tubos que configuran el hogar. La caldera
equipada con ciclones puede operar de forma continuada, con bajadas de carga hasta el 50% de la capacidad
total; por debajo de esta carga, la escoria solidifica en el suelo del hogar obstruyendo las piqueras,
por lo que muchas unidades están dotadas con grandes piqueras.
Entrega del carbón.-
de entrega de combustible, según sea la combustión
Las calderas equipadas con combustores ciclón disponen de tres sistemas- Combustión indirecta (configuración de silo)
- Combustión directa
- Combustión directa con presecado
Configuración del silo.-
de un triturador no interrumpe las operaciones de la caldera.
Para preparar el carbón destinado a la carga por la parte superior de las tolvas, utiliza un par de grandes
trituradoras en una torre central; el carbón triturado tiene un tamaño de partícula relativamente
grande, por lo que no existen los riesgos de incendio asociados al almacenaje y manipulación del carbón
pulverizado. Para eliminar los gases procedentes de la trituración del carbón requiere de un sistema de
ventilación. Un sistema de silo se puede remodelar para quemar carbones con alta humedad, transformando
las toberas de transferencia del carbón en un sistema simple de presecado, Fig XIV.10.
Es la más simple, barata y común; con este sistema, una breve indisponibilidadFig XIV.8.- Caldera radiante con combustores ciclón (en una pared) y sistema de silo para preparación y alimentación de carbón
XIV.-426
Fig XIV.9.- Caldera de PU con ciclones en paredes opuestas y sistema de silo para preparación y alimentación de carbón
Sistema de combustión directa.-
alimentador de carbón y el quemador correspondiente a cada ciclón, que está barrido con aire caliente
que elimina la humedad del carbón recién troceado, lo que conduce, cuando se queman carbones que tienen
contenidos de humedad hasta el 30%, a la mejora de las características operativas del triturador y
de la ignición del combustible; este sistema puede incluir clasificadores del triturado y separadores de
humedad de tipo mecánico.
Emplea un triturador individual, más pequeño, ubicado entre elSistema de combustión directa con presecado.-
que quemar lignitos y otros carbones con altas humedades.Los separadores mecánicos ciclón eliminan
la humedad y los finos de la mezcla
a través de la cámara de recirculación de gases; la eliminación de la humedad del carbón principal
incrementa la temperatura de combustión en el combustor ciclón. Con separadores de humedad, este
sistema diseñado para lignitos con humedad superior al 36%, manipula carbones de mala calidad con la
misma facilidad con la que los combustores ciclón del sistema estándar queman carbones bituminosos.
Prepara el combustible para ciclón, cuando éste tieneaire +carbón e introducen la mezcla directamente al hogar de la caldera,XIV.-427
a) Sistema de silo b) Readaptación sistema de silo y presecado
c) Sistema de combustión directa
d) Sistema presecado combustión directa con separador de humedad
Fig XIV.10.- Sistemas de silo de combustión directa y presecado para preparación y alimentación de carbón a combustor ciclón
Fig XIV.11.- Requisitos de tamaño del carbón triturado para combustor ciclón
XIV.-428
Por lo que respecta al tamaño del carbón, la distribución preferida para los diversos grados de carbones
se muestra en la Fig XIV.11.
Un combustor ciclón manipula una cantidad limitada de carbón pulverizado, siendo difícil triturar
carbón hasta una finura que resulte inadecuada para su combustión en un combustor ciclón, por lo que
los trituradores no pueden alcanzar, en ningún caso, la capacidad de finura de un pulverizador.
Para un carbón con
alta humedad
ceniza de alto punto de fusión
conviene mantener, durante el troceado, la máxima
producción de porcentaje de finos.
Alimentadores de carbón.-
de carbón para mejorar el control y la continuidad del flujo de carbón.
. Las primitivas unidades generadoras de vapor dotadas de combustores ciclón, se equipaban con:
En los combustores ciclón se utilizan diferentes tipos de alimentadores- Pequeños alimentadores tipo de plato
- Alimentadores
de paletas o eslabones
volumétricos de cinta o banda continua
gravimétricos de cinta o banda continua
El alimentador de carbón que se prefiere en la actualidad es el gravimétrico de cinta, dotado con un
moderno sistema de control. La exactitud de la relación
Combustible
Aire
operativas del combustor ciclón, exige disponer de un alimentador gravimétrico.
para optimizar las característicasEquipo de manipulación de escoria.-
de un sistema de eliminación de lechada para deshacerse de la escoria, Fig XIV.12.
La escoria fundida fluye constantemente a través de la piquera del suelo del hogar de la caldera, y
pasa a un tanque situado bajo el mismo, en el que se enfría y solidifica en un baño de agua.
La escoria acumulada se trocea por medio de un triturador y se evacúa en diversas partidas; puede
crear una acumulación de gas en la parte superior del tanque que constituye el baño de agua.
Las calderas equipadas con combustores ciclón disponenFig XIV.12.- Sistema de manipulación de escoria
con evacuación periódica para caldera equipada con combustores ciclón
También se puede presentar una obturación de la piquera de escoria, situada en el suelo del hogar,
lo que provocaría una acumulación de CO en la parte baja del hogar de la caldera; las posibles situaciones
explosivas se pueden evitar instalando y manteniendo una línea de venteo de gases, desde la parte
superior del tanque de agua hasta la salida del economizador de la caldera.
Quemadores de fuelóleo y de gas.-
ciclón, en el mismo se pueden utilizar fuelóleo y gas, como:
Aunque el carbón es el combustible principal de un combustorXIV.-429
- Combustibles de puesta en servicio y combustibles auxiliares
- Combustibles principales, empleando los sistemas de combustión representados en la Fig XIV.13
Debido a la elevada caída de presión en el
no pueden competir con otros tipos de quemadores (mecheros, antorchas) en los que el combustible
principal es fuelóleo o gas.
El quemador de fuelóleo puede ser un simple tubo que atraviesa la entrada de
lanza de fuelóleo a través de la boca del quemador de carbón. El mechero, constituido por el tubo transversal
a la entrada de
ciclón. Este diseño se ha revelado como un excelente quemador de fuelóleo, aunque su inyección en el interior
de la zona de recirculación del combustor ciclón da lugar a un régimen alto de liberación de calor,
por lo que a largo plazo, los tubos desnudos pueden sufrir daños térmicos.
airecomburente, común a todos los ciclones, estos combustoresairesecundario, o unaairesecundario, tiene una fila de agujeros radiales dirigidos tangencialmente hacia elFig XIV.13.- Disposición de quemadores de fuelóleo y gas en combustor ciclón
Este quemador de fuelóleo se sigue utilizando como un equipo de emergencia, en unidades que queman
carbones con altos valores de T
para desescoriar un combustor ciclón cuando se produce una interrupción en la caldera.
Un diseño alternativo utiliza un quemador de fuelóleo ubicado en el eje del combustor ciclón, que
quema dentro del vórtice del mismo; este diseño crea algunos problemas en la limpieza de calderas como
consecuencia de los bajos niveles de atomización que se producen con atomizadores mecánicos, problemas
que se reducen utilizando grandes atomizadores por
de
250, para desescoriar los combustores ciclón, empleándose tambiénaire-vapor, que alcanzan regímenes aproximados4,5.10
32 MW
8 Btu/ht
El quemador (antorcha de gas) se ubica en la garganta de
de tres toberas. El combustible gaseoso (gas natural ) se inyecta directamente en la zona de recirculación
y, debido a su bajo poder radiativo, en el combustor ciclón produce un menor aporte de calor, por lo
que con el quemador de gas no se suelen presentar daños térmicos a largo plazo; el gas natural no calienta
mucho los depósitos de escoria, como lo hace la combustión del fuelóleo, pero ayuda a desescoriar
los ciclones obturados.
Las unidades equipadas con combustores ciclón que queman carbón, pueden sustituir este combustible
por fuelóleo o por gas, durante un breve período de tiempo, sin que se produzcan daños serios. Sin
embargo, el cambio de combustible para un largo período de operación, quemando sólo fuelóleo o gas, requiere
que el combustor ciclón se despoje de toda la escoria y de todo el refractario, para prevenir la erosión
de los tubos.
airesecundario inyectando el gas a travésXIV.-430
XIV.8.- OTROS COMBUSTIBLES
Combustibles de desechos.-
junto con el carbón de diseño, debido a su elevado régimen de liberación de calor. Una relación de
mezcla interesante se corresponde con el 5
de desecho.
Los combustores ciclón son adecuados para quemar combustibles de desechos,÷ 10% del calor de entrada proporcionado por el combustibleCombustibles derivados de residuos.-
queman con más facilidad. Para minimizar el tiempo de residencia de estas partículas de combustible de
desecho dentro del combustor ciclón, el punto ideal de la inyección es la antorcha de
debe ser lo suficientemente grande y aislada. En los ciclones, las protuberancias planas soldadas no resisten
la erosión producida por las partículas del combustible.
Proceden de las basuras municipales, son los más ligeros yairesecundario, queCombustibles derivados de cubiertas de caucho.-
mecánicos y las unidades de carbón pulverizado con ceniza fundida, constituyen un procedimiento para
deshacerse de las cubiertas de caucho que integran las ruedas de vehículos procedentes de desguaces.
El caucho de las cubiertas facilita un excelente combustible, bajo en S, aunque su elasticidad impide las
operaciones de troceado, trituración o pulverizado, clásicas en el caso del carbón; un tamaño óptimo de
los trozos es de 13
tamaño, su coste superaría el del carbón.
Los combustores ciclón, al igual que los hogares÷ 25 mm, y aunque la industria de desechos del caucho puede facilitar trozos de menorCoque de petróleo.-
petróleo, mezclado con carbón. Sin embargo, la carencia de volátiles en el coque de petróleo retrasa el
quemado de este combustible, con el consiguiente incremento de la temperatura de los gases a la salida
del hogar de la caldera y la correspondiente escorificación en el sobrecalentador.
Existen operadores de combustores ciclón que han quemado con éxito coque deVirutas de madera.-
queman, junto con el carbón, en los combustores ciclón. El contenido en humedad y el tamaño del combustible
de residuos determinan la proporción de mezcla más adecuada.
Las virutas de madera, serrín, cortezas y otros productos sólidos de desecho, seXIV.9.- CONTROL DE LA COMBUSTIÓN
La relación
Combustible
Aire
de la combustión. Cuando el flujo de aire es demasiado bajo, en el ciclón se desarrolla una atmósfera reductora
que conduce a un ataque corrosivo del sulfuro de Fe sobre el refractario y el armazón de protuberancias,
pudiéndose llegar a un fallo de las partes a presión.
En
en cada ciclón es el parámetro fundamental dentro del sistema de controlcalderas pequeñas, equipadas con uno, dos o tres combustores ciclón, el equilibrado de la relaciónCombustible
Aire
que conducen a cada uno de los combustores ciclón.
En
disposición que no se adapta para una monitorización exacta del aire que va a cada uno de
los combustores ciclón, por lo que las grandes calderas equipadas con éstos, operan con mayores niveles
de
una atmósfera reductora en uno o más de los combustores ciclón, debido a desequilibrios entre los flujos.
es fácil de realizar y de monitorizar; el airecomburente se suministra por conductos individualesgrandes unidades, los combustores ciclón se alojan dentro de cajas de aire que suministran el airesecundario,aireexceso en comparación con las pequeñas unidades, reduciendo la posibilidad de que se desarrolleIgnitores.-
Los combustores ciclón están equipados conencendedores
ignitores de
fuelóleo ligero
gas
; los ignitores cons-
XIV.-431
tituyen la opción más común; ambos tipos (fuelóleo ligero y gas) se ubican dentro del recinto del ciclón
combustor, en el frente de salida de la tobera de
Los primitivos ciclones utilizaban un ignitor de fuelóleo retráctil, con una capacidad térmica de 5
MW
Para que las operaciones de puesta en servicio resulten críticas, se ha adoptado un ignitor más potente
y limpio, que consiste en un mechero de fuelóleo de 7,3 MW
airesecundario.t que contaba con atomización mecánica.t, que incorpora:- Un atomizador aire-vapor
- Un ignitor de gas retráctil independiente que se puede sobrealimentar, con capacidad entre 5 y 7,3 MWt.
Cortatiros seccionales de control del aire
cortatiros compartimentados (en secciones independientes), dispuestos a todo lo ancho de la entrada de
secundario.- Los combustores ciclón se pueden equipar conaire
de la señal en los cortatiros permite ajustar la configuración de la combustión en el interior del recinto
del combustor ciclón, incrementando el tiempo de retención del combustible dentro de recinto.
La efectividad de esta técnica de control aumenta cuando se queman combustibles con alta humedad
y bajos niveles de S.
secundario, lo que facilita un nivel de control que regula la combustión en el recinto ciclón. La polarizaciónFuncionamiento a cargas bajas.-
la carga nominal sin que se produzca la solidificación de la escoria, siendo normal en el hogar de la caldera
que se detenga el vaciado de escoria con cargas inferiores a la citada, ya que en esta situación la solidificación
de la escoria tiende a obturar las piqueras. Un combustor ciclón individual puede continuar
operativo y, eventualmente, puede lograr que recomience el vaciado de escoria; sin embargo, una caldera
que tenga obturada la piquera del suelo del hogar, por solidificación de la escoria, se debe poner fuera
de servicio para proceder a la limpieza manual de la misma.
Los combustores ciclón no pueden operar por debajo de la mitad deRequisitos de energía.-
muy diferentes de las que queman carbón pulverizado, por cuanto el consumo energético en la preparación
del combustible es bajo (el carbón sólo se trocea y no se pulveriza), y porque no se usa un ventilador
de
Las calderas con combustores ciclón tienen unas necesidades de energíaaireprimario.Fig XIV.14.- Requisitos de energía auxiliar en unidades típicas de alta capacidad
para combustores ciclón presurizados y para carbón pulverizado
XIV.-432
Hay que tener en cuenta que debido a la gran caída de presión en el combustor ciclón (5
consumo de los ventiladores de tiro forzado es más alto, Fig XIV.14.
La diferencia entre la combustión del carbón pulverizado en combustor ciclón y en lecho suspendido,
depende del
÷ 10 kPa), eltipo de combustible
de su poder calorífico
La combustión del
carbón pulverizado en lecho suspendido tiene ventajas en el caso de:- Altos poderes caloríficos
- Altas grindabilidades
- Consumo de carbones bituminosos
La combustión en
aplicaciones que utilicen carbones de baja calidad, como los carbones subbituminosos, lignitos y carbones
pardos, que normalmente son difíciles de pulverizar. Para carbones bituminosos con alto poder calorífico,
los menores costes de
con los menores costes de
combustor ciclón tiene ventajas en el supuesto de bajos poderes caloríficos y enoperación en unidades que queman carbón pulverizado, se deben compararinversión de los sistemas de combustión en combustores ciclón.XIV.10.- MANTENIMIENTO
En un combustor ciclón, los problemas más importantes son los relativos a la corrosión y a la erosión.
En un quemador:
- La escoria fundida produce un ataque corrosivo del sulfuro de Fe sobre los tubos de las partes a presión
- La erosión predomina en un área
revestimiento protector de escoria
opuesta diametralmente a la tobera de airesecundario, en la que no se forma unFig XIV.15.- Sección de protuberancias y de refractario de un combustor ciclón
Tubos con protuberancias y refractario.-
protegen por medio de una capa de refractario, que se mantiene en su sitio mediante unas protuberancias,
Fig XIV.15, que no sólo sostienen el refractario, sino que también refrigeran la superficie refractaria
que está en contacto con la escoria corrosiva y, por lo tanto, retrasan la acción química de la corrosión;
las protuberancias protegen al refractario y el refractario protege a las protuberancias.
La experiencia ha demostrado que cuantas más protuberancias existan por unidad de superficie tubular,
tanto más se mejoran las características operativas del refractario que ocupa los espacios entre
las mismas. El diseño con densidades de protuberancias más elevadas facilita características operativas
extraordinarias, en cuanto a su capacidad de proteger al refractario y resistir la corrosión.
En las áreas recubiertas con escoria fundida, los tubos seTubos con protuberancias planas.-
diametralmente opuesta a la boca de entrada del
provocada por las partículas de combustible con pletinas rectangulares de acero soldadas a los tubos,
diseño que tiene una serie de desventajas desde el punto de vista del mantenimiento. Un diseño más
Los tubos del combustor ciclón que se encuentran en la zona erosiva,airesecundario, se suelen proteger contra la erosiónXIV.-433
avanzado de protuberancias planas dispuestas al tresbolillo, tecnología que ofrece un diseño tan duradero
como el propio combustor ciclón, presenta las siguientes ventajas, respecto al anterior:
- Fabricación más exacta de las protuberancias y menores espaciados
- Menor desgaste entre protuberancias
- Buena transferencia de calor, que reduce la temperatura del metal y la erosión del mismo
- Tamaños más gruesos de protuberancias con vida útil más larga
Para mejorar y prolongar la vida de los tubos, se pueden aplicar sobre su superficie determinadas
aleaciones mediante pistola de plasma, aunque los resultados de los experimentos realizados con diferentes
polvos de metalización, no han sido muy concluyentes.
Algunas aplicaciones, que han utilizado revestimientos caros, han experimentado el ataque del sulfuro
de Ni, que terminó por destruir el revestimiento, de forma similar a la corrosión que realiza el sulfuro
de Fe sobre las protuberancias y las superficies tubulares.
El armazón de protuberancias no ofrece consistencia para las aplicaciones del chorreado por plasma.
Algunos revestimientos no admiten la sustitución parcial del armazón de protuberancias, a menos
que se retire el revestimiento y toda la superficie tubular afectada.
Refractario
variantes, se debe mantener alejada de los tubos de la unidad, mediante un revestimiento refractario de
alta densidad; la selección del refractario está condicionada por el combustible de la planta en cuestión.
.- La experiencia ha puesto de manifiesto que la escoria corrosiva, en cualquiera de susTrituradores de carbón.-
de los carbones subbituminosos, bajos en S y difíciles de quemar, y la necesidad de triturar el
combustible tan fino como sea posible, se recomendó una determinada práctica de mantenimiento.
Se han mantenido sin cambios, a lo largo del tiempo; al aumentar la utilización- Los tambores se ajustaban y los molturadores se invertían con mucha más frecuencia en combustores ciclón de subbituminosos,
que en las unidades de carbón estándar
- Los martillos de las trituradoras se desechaban a la mitad de su vida útil, para mantener su masa de impacto en valores
de diseño
XIV.11.- CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
Polvo.
caldera equipada con combustores ciclón debe ser del mismo tamaño que el de una unidad similar convencional
de carbón pulverizado.
La producción de más escoria y menos cantidad de polvo (ceniza volante), que los respectivos montantes
de una unidad similar de carbón pulverizado, pueden ofrecer algunas ventajas útiles significativas;
en muchos casos es más fácil deshacerse de la escoria del hogar, que del polvo.
Los compuestos minerales de la ceniza están fuertemente confinados en la escoria del combustor
ciclón. Las propiedades físicas de esta escoria permiten su utilización como material de relleno, por
ejemplo, en la construcción de carreteras o como material de chorreado, entre otras aplicaciones.
Algunos combustores ciclón usan la reinyección de polvo en el quemador para deshacerse de la ceniza
con más facilidad, quemando el carbono residual de la ceniza y convirtiendo más polvo en escoria;
debido al desgaste experimentado por el quemador y por el ciclón, la reinyección de polvo se minimiza.
Debido a las mejoras logradas en los bloques de desgaste en quemadores y armazones de protuberancias
planas, la reinyección de polvo se puede mantener como una opción más para minimizar los
problemas del vertido de cenizas.
- Para cumplimentar los modernos patrones de emisión de partículas, el precipitador de unaReducción de SO
con otros sistemas de combustión, dependen del contenido en S del combustible utilizado; el método más
2.- Las emisiones de SO2 procedentes del combustor ciclón, al igual que ocurreXIV.-434
fácil de reducir las emisiones de SO
Para el cambio de combustible en calderas equipadas con combustores ciclón, se requieren determinados
cuidados por cuanto el combustor ciclón es más sensible
2 consiste en cambiar el carbón por otro con menor contenido en S.A la composición de la ceniza y su cantidad
Al poder calorífico
A la humedad del carbón
Si hay que sustituir un carbón bituminoso de baja humedad, por carbones subbituminosos o lignitos
de alta humedad, la instalación puede precisar de un sistema de combustión directa con presecado. En
el supuesto de que el carbón seleccionado cumplimente el valor T
manipular carbones subbituminosos o lignitos bajos en S y humedad, mediante una serie de cambios
en los componentes físicos del equipo y en los procedimientos de operación; estas modificaciones se centran
en:
250 la caldera se modifica para que pueda- Evitar finuras de carbón que puedan dañar el equipo
- Continuar con un intenso programa de mantenimiento
- Dotar los medios necesarios para procesar un desescoriado rápido
Los sistemas de lavado del carbón se instalan para minorar el S pirítico. Aunque el lavado hace que
el carbón sea más fácil de quemar en los combustores ciclón, porque eleva el parámetro T
es que las emisiones de SO
250, la realidad2 procedentes de un carbón lavado son siempre más reducidas.Reducción de NO
NO
x.- Las calderas equipadas con combustores ciclón producen niveles de emisión dex relativamente altos, que van de0,8 a 1,9 lb/10
1200 a 2850 mg/m
6 Btu3 N
, estando estas cifras corregidas al 3% de O
2.Fig XIV.16.- Sistema de control, para bajo contenido de NO
x, por recombustión en combustor ciclónLa combustión en dos etapas puede reducir el nivel de los NO
instalaciones que queman carbón pulverizado, aunque las condiciones de esta reducción en los combustores
ciclón, tienen grandes probabilidades de provocar corrosiones inaceptables.
x hasta el 50%, como ocurre en las- En este sistema de control, el combustor ciclón opera en condiciones totalmente oxidantes, pero a menor carga, del orden
del 65
- El combustible restante se inyecta directamente en el hogar de la caldera, con un mínimo aire de transporte, para crear
la zona reductora correspondiente a la recombustión
- En esta zona reductora, el combustible requemado crea un déficit de O
ciclón, es decir, se descompone en nitrógeno molecular por medio de una serie de interacciones, con activa participación de los
radicales de hidrocarburos libres
- Las portillas de aire
para lograr una estequiometría de 1,15
÷ 85% de la correspondiente al combustible y aire a plena carga2 reduciendo el NOx producido en el combustorsecundario ubicadas encima de la zona de recombustión, facilitan la inyección del resto de airecomburente,÷ 1,20 y completar la combustiónLa utilización de carbón, fuelóleo o gas como combustible de recombustión, depende de la valoración
XIV.-435
económica que se haga, comparando el
capital invertido en un sistema basado en carbón, con el de operacióncuando se emplea fuelóleo o gas. Las calderas con combustores ciclón van ganando en aceptación,
debido a la posibilidad de quemar gran parte de las reservas existentes de carbón, que no resultan
adecuadas para su combustión en lecho suspendido, como carbón pulverizado.
Las tecnologías de
recombustión en los combustores ciclón de bajo NO
xpostcombustión para reducción de los NO
x
, permiten disponer de calderas
equipadas con combustores ciclón, como componente principal de la producción de vapor en plantas termoeléctricas.
XIV.-436
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