XV.- HOGARES MECÁNICOS
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XV.1.- INTRODUCCIÓN
Los hogares mecánicos se diseñan para que el combustible se alimente mediante una parrilla, en la
que se quema con
La parrilla se ubica en el hogar de la caldera y está diseñada para evacuar los residuos o cenizas de
la combustión, que quedan tras el proceso;esta tecnología se desarrolla para quemar un amplio rango de
combustibles en aplicaciones industriales, en pequeñas centrales termoeléctricas y en plantas de cogeneración.
El campo de los combustibles utilizados se extiende desde todos los tipos de carbones, hasta
desechos de bagazo, cáscaras de almendras y arroz, basuras, etc.
Los modernos sistemas de combustión en hogares mecánicos se componen de:
airecomburente ascendente, que pasa a través de la misma.- Un sistema de carga o alimentación de combustible
- Una parrilla, estacionaria o móvil, que soporta la masa en combustión del combustible y admite a su través la mayor
parte del aire
comburente- Un sistema de aire
- Un sistema de descarga de cenizas
secundario que completa la combustión y limita las emisiones contaminantes a la atmósferaEstos componentes están integrados en el diseño del hogar mecánico, para:
- Optimizar la combustión y la recuperación de calor
- Minimizar el combustible
inquemado, las emisiones atmosféricas y el costeUna instalación requiere la correcta selección del tipo y tamaño del hogar mecánico, teniendo en
cuenta:
El combustible que se va a utilizar
Las características de la carga y capacidad que se pretenden atender con la unidad proyectada
Hay dos tipos generales de alimentación de hogares mecánicos, de carga:
superior
inferior
- En los hogares mecánicos de carga superior, el combustible se suministra sobre la parrilla mediante cargadores, mientras
que el airecomburente se alimenta desde la parte inferior de la parrilla
- En los hogares mecánicos de carga inferior, el
combustible
aire
comburente
se suministran desde la parte inferior de la parrilla del
hogar
Los hogares mecánicos de carga superior se subdividen en dos grupos:
Con alimentación a granel
Con alimentador distribuidor
XV.-437
Hogar mecánico de carga superior con alimentación a granel.-
por uno de los extremos de la superficie de la parrilla y se desplaza horizontalmente, con el movimiento
de ésta, conforme se va quemando. La ceniza residual tras la combustión, se descarga por el extremo
puesto al de alimentación. El
del lecho combustible que está ardiendo.
El combustible se alimenta continuamenteairecomburente se introduce por la parte inferior de la parrilla a travésHogar mecánico de carga superior con alimentador distribuidor.-
Se introduce la parte principal delaire
la superficie de la misma. La fracción más fina del combustible arde en suspensión y cae sobre el flujo
ascendente de
y la ceniza residual resultante del proceso de combustión se evacúa por el extremo de descarga de la parrilla.
Los sistemas de
que dependen del fabricante. La Tabla XV.1 resume algunos diseños básicos de hogares mecánicos,
según sea el combustible, la cantidad de calor liberada y la máxima capacidad disponible. Para una capacidad
dada de vapor en la caldera, el régimen de combustión define el área plana de la parrilla y el hogar
en el que se instala; consideraciones prácticas limitan el tamaño del hogar mecánico y los máximos
regímenes de generación de vapor.
comburente por debajo de la parrilla, mientras que el combustible se distribuye uniformemente en todaairecomburente; el resto del combustible, más pesado, arde sobre la superficie de la parrillaparrilla/alimentador del hogar mecánico pueden adoptar diversas configuracionesPara la combustión de carbón, la máxima generación de vapor es del orden de
350.000 lb/h
44,1 kg/s
Para madera o biomasa, de
700.000 lb/h
88,2 kg/s
En un hogar mecánico se pueden quemar casi todos los tipos de carbones; sobre parrilla se pueden
quemar las basuras, madera, cortezas, posos, cáscaras, etc, solos o en combinación con el carbón, fuelóleo
y gas natural.
El sistema
para generar vapor entre
alimentador/distribuidor, en combinación con diferentes tipos de parrillas, se utiliza75.000 a 700.000 lb/h
9,5 a 88,2 kg/s
; este sistema:
- Responde rápidamente a los cambios en la demanda de vapor
- Tiene una buena capacidad de regulación de la carga
- Puede utilizar una amplia variedad de combustibles
No es apropiado para combustibles bajos en volátiles, como la antracita y el coque de petróleo, a
causa de los problemas derivados de la combustión final del C.
Tabla XV.1.- Resumen de sistemas de hogar mecánico/parrilla
Parrilla Combustible Régimen normal Capacidad vapor
Tipo hogar mecánico Tipo Refrigeración liberación calor
Alimentación Retorta simple - Carbón 425 (1,34) 25 (3,15)
inferior Retorta doble - Carbón 425 (1,34) 30 (3,78)
Retorta múltiple - Carbón 600 (1,89) 500 (63)
Vibrante Agua Carbón 400 (1,26) 125 (15,8)
a granel Cadena sinfín Carbón 500 (1,58) 80 (10,1)
Alimentación Alternativa Basuras 300 (0,95) 350 (44,1)
superior Aire Carbón 650 (2,05) 150 (18,9)
Vibrante Madera 1100 (3,47) 700 (88,2)
Con distribuidor Agua Madera 1100 (3,47) 700 (88,2)
Carbón 750 (2,37) 390 (49,1)
Parrilla sinfín Madera 1100 (3,47) 550 (69,3)
Combustibles
derivados 750 (2,37) 400 (50,4)
1 0
3 lb/h (kg/s)1 0
3 Btu/ft 2 h (MWt/m 2XV.-438
XV.2.- HOGARES MECÁNICOS CON ALIMENTACIÓN INFERIOR
Hay dos tipos de hogares mecánicos de alimentación inferior, que se diferencian por la forma de cargar
el combustible y descargar la ceniza:
- Hogar mecánico con alimentación del combustible horizontal y descarga lateral de la ceniza
- Hogar mecánico con alimentación del combustible por gravedad
En el hogar mecánico con descarga lateral de la ceniza, el carbón se alimenta desde una tolva a un
canal central (retorta) mediante un tornillo o un empujador pisón.
En el caso de grandes unidades, el empuje del carbón se ayuda por medio de bloques empujadores o
por un fondo deslizante de la retorta, que mueve el combustible hacia arriba y hacia adentro de la retorta.
Cuando el carbón se mueve hacia arriba, sobrepasa los bordes de la retorta y se distribuye sobre la
superficie activa de la parrilla, de modo que queda expuesto al
se produce el secado del combustible y a continuación comienza la destilación de las materias volátiles.
Las características del carbón resultan críticas para las condiciones de funcionamiento de los hogares
mecánicos con alimentación inferior. Conforme el carbón se desplaza hacia los laterales o hacia la
parte posterior de la parrilla, se completa la destilación de volátiles, liberándose el coque, que finaliza su
combustión cerca de los bordes de la parrilla o del extremo de salida de la misma.
Para producir una turbulencia alta y reducir la generación de humo, se utiliza
presión sobre el lecho de combustión, incrementándose la probabilidad de escorificación, con producción
de grandes aglomerados de ceniza y diversas capas de escoria.
Para reducir esta tendencia y agitar el combustible en el hogar mecánico de alimentación de carga
inferior, se dispone de secciones alternadas de parrilla móvil y de parrilla estacionaria.
La Tabla XVII.2 detalla las especificaciones de carbón para parrillas estacionarias y parrillas móviles,
aunque existen hogares mecánicos de alimentación inferior que pueden quemar satisfactoriamente
carbones que están fuera de estas especificaciones.
airecomburente y al calor radiante; entoncesairesecundario de altaFig XV.1.- Vistas del hogar mecánico con alimentación inferior y de simple retorta
con alimentación horizontal y descarga lateral de ceniza
XV.-439
Fig XV.2.- Hogar mecánico con alimentación inferior y de doble retorta con descarga posterior de ceniza
Tabla XV.2.
- Características típicas de carbón para “hogar mecánico de alimentación inferior”CARBÓN Parrilla estacionaria Parrilla móvil
Humedad 0 a 10 % 0 a 10 %
Materia volátil 30 a 40 % 30 a 40 %
Carbono fijo 40 a 50 % 40 a 50 %
Ceniza 5 a 10 % 5 a 10 %
Btu/lb (kJ/kg), como se quema, mínimo 12500 (29075) 12500 (29075)
Índice esponjamiento libre, máximo 5 7
Temperatura ablandamiento ceniza, ºF º(C) * 2500 ** (1.371) 2500 ** (1.371)
Proporciones iguales en los rangos
Tamaño del combustible, in (mm) 1 (25,4) x 0,25 (6,4) < 0,25 ; 0,25 a 0,5 ; 0,5 a 1,0
máx. 20% a través de 0,25 (6,4) (< 6,4) ; (6,4 a 12,7) ; (12,7 a 25,4)
* La temperatura de ablandamiento de la ceniza es aquí la temperatura a la cual la altura del botón fundido es la mitad de su anchura,
bajo condiciones de atmósfera reductora.
** Por debajo de 2.500ºF (1.371ºC), la capacidad de la parrilla móvil se rebaja linealmente hasta el 70% de la que tiene para una
temperatura de fusión de ceniza de 2.300ºF (1.260ºC).
En parrillas estacionarias la capacidad se rebaja linealmente hasta el 70% de la correspondiente a una temperatura de fusión de
2.400ºF (1.316ºC).
Una reducción en el porcentaje de finos ayuda a mantener poroso el lecho de combustible.
Con un carbón apropiado, las unidades de simple y doble retorta se limitan a flujos de vapor que se
sitúan entre
25.000 a 30.000 lb/h
3,2 a 3,8 kg/s
, con unos valores de liberación de calor del orden de:
- Con paredes refrigeradas por agua
425.000 Btu/ft
1,34 MW
2 ht/m2
- Con paredes de refractario
300.000 Btu/ft
0,95 MW
2 ht/m2
Para unidades con múltiples retortas y descarga posterior de ceniza, parecidas a la de la Fig XV.2,
la capacidad de flujo de vapor puede llegar a 500.000 lb/h (63 kg/s), para unos valores de liberación de
calor del orden de
600.000 Btu/ft
1,89 MW
2ht/m2
, con inclinaciones de parrilla de 20º
÷ 25º respecto a la horizontal.XV.3.- HOGARES MECÁNICOS CON ALIMENTACIÓN A GRANEL
Los hogares mecánicos de carga superior con alimentación a granel se caracterizan porque el combustible
se suministra por gravedad, sobre una parrilla ajustable que controla la altura del lecho.
Existen dos tipos básicos de estas características, que resultan idóneos para quemar carbones:
- Los de parrilla vibrante refrigerada por agua
- Los de parrilla móvil articulada o sinfín
XV.-440
El
comburente que se introduce por la parte inferior de la misma, perpendicular al flujo de combustible, en
las siguientes fases:
sistema de combustión combina un lecho de combustible que se mueve sobre la parrilla, y aire- Cuando el combustible entra en el hogar, la capa de carbón se calienta por radiación, desprende volátiles y promueve
su ignición
- El carbón se continúa quemando conforme se desplaza a lo largo del hogar de la caldera
- El lecho de combustible decrece en espesor hasta que todo el combustible se ha quemado y la ceniza fría se descarga a
un foso
Con este método de suministro y combustión del combustible, el aire bajo la parrilla se debe fragmentar
a lo largo de ésta, ya que el aire requerido para la ignición, y combustión es muy diferente en las
diversas zonas, produciéndose un bajo arrastre de ceniza por parte de los gases de combustión; si no se
dispone de una amplia bóveda de ignición, este método es sensible a las características del combustible
que afectan a la ignición.
Los hogares mecánicos de carga superior con alimentación a granel requieren tolvas de carbón que
no produzcan diferenciación alguna en el combustible, ya que en caso contrario, los finos podrían provocar
una severa escorificación a lo largo de las paredes laterales.
En la Fig XV.3 se muestra un hogar mecánico de carga superior con parrilla vibrante refrigerada
por agua, en el que:
- La parrilla vibrante contiene una superficie de toberas adosadas, que están en contacto con un enrejado de tubos de
agua conectados al sistema de refrigeración de agua de la caldera
- La estructura global se soporta mediante placas que permiten libertad de movimientos a la parrilla y a su enrejado
tubular, respecto de la acción vibratoria que transporta el carbón, desde la alimentación del combustible hasta la descarga
de la ceniza
- La vibración de la parrilla es intermitente y se ajusta para:
El desplazamiento del combustible en el hogar
El control del espesor del lecho de ceniza
La descarga de la ceniza según se precise
Existe una bóveda posterior que cubre el último tercio de la parrilla, que ayuda a finalizar la combustión
y dirige los gases con elevado
ricos en volátiles, procedentes de la zona de ignición. Para la mayoría de los carbones resulta adecuada
una bóveda frontal pequeña.
Si el contenido del combustible en materias volátiles es bajo, la ignición es inadecuada, por lo que
para incrementar la radiación y ayudar a la ignición se añade refractario a la pequeña bóveda frontal.
Para facilitar la turbulencia y la combustión, en estos hogares mecánicos de carga superior con alimentación
a granel y parrilla vibrante refrigerada por agua, se inyecta
de la bóveda frontal, hasta 30”wg , (7,5 kPa), aproximadamente.
aireexceso hacia la pared frontal, para que se mezclen con los gasesairecomburente a alta presión a travésFig XV.3.- Hogar mecánico de parrilla vibrante, refrigerada por agua
XV.-441
La refrigeración por agua del enrejado tubular hace que este tipo de hogar sea más flexible con combustibles
líquidos y gaseosos, ya que el cambio a estos combustibles no requiere una protección especial
de la parrilla. Los regímenes de combustión liberan calor del orden de
400.000 Btu/ft
1,26 MW
2 ht/m2
Los hogares mecánicos de carga superior con alimentación a granel con parrilla móvil articulada y
los de parrilla de cadena, son similares; ambos tipos corresponden a una configuración sinfín, que pasa
por las respectivas ruedas de accionamiento y de retorno, transportando el carbón sobre la parrilla a lo
largo del hogar, desde la salida de la tolva hacia la descarga de ceniza, retornando el sinfín por la parte
inferior de la parrilla.
La parrilla articulada es una estructura continua que rodea a dos ruedas dentadas, de accionamiento y retorno
La parrilla de cadena utiliza un enrejado de barras, que cuando quema antracitas facilita un mejor control de los finos
de ceniza que pasan a través de la parrilla
Estos hogares mecánicos de carga superior con alimentación a granel y parrilla móvil articulada o
de cadena requieren más mantenimiento que las unidades de hogares mecánicos de carga superior con
alimentación a granel y con parrillas vibrantes refrigeradas por agua; pueden quemar un amplio grupo
de combustibles sólidos, como turba, lignito, subbituminoso, bituminoso, antracita, menudos de coque,
etc, utilizando bóvedas de hogar (frontal y posterior), que mejoran las condiciones de combustión mediante
el calor de radiación hacia el lecho de combustible.
Cuando se queman antracitas o menudos de coque bajos en volátiles, la bóveda posterior dirige las
partículas incandescentes de combustible y los gases de combustión hacia la parte frontal del hogar, en
donde ayudan a la ignición del combustible entrante.
Tabla XV.3.- Características típicas de carbón para “hogar mecánico de alimentación superior”
CARBÓN Parrilla vibrante refrigerada por agua Parrilla sinfín/cadena
Humedad 0 a 10 % 0 a 10 %
Materia volátil 30 a 40 % 30 a 40 %
Carbono fijo 40 a 50 % el resto
Ceniza 5 a 10 % 6 a 20 %
Btu/lb (kJ/kg), como se quema, Mínimo 12.500 (29.075) 10.500 (24.423)
Índice esponjamiento libre, máximo - 5
Temperatura ablandamiento ceniza, ºF º(C) * 2.300 (1.260) 2.100 (1.140)
Óxido de hierro, % en ceniza, máx. 20 % 20 %
Tamaño del combustible, (") (mm) 1 a 0,25 (25,4 a 19) 1 a 0 (25,4 a 0)
máx. 40% a través de 0,25 (6,4) máx. 60% a través de 0,25 (6,4)
*La temperatura de ablandamiento de la ceniza es aquí la temperatura a la cual
la altura del botón fundido es la mitad de su anchura, en condiciones de atmósfera reductora.
Fig XV.4.- Hogar mecánico con parrilla de cadena
XV.-442
Los regímenes de combustión de hogares mecánicos de carga superior con alimentación a granel y
con parrilla móvil, articulada o de cadena, varían según el tipo de combustible utilizado:
- Los combustibles de menor
ceniza (8 a 12%)
humedad (10%)
permiten una liberación de calor de
500.000 Btu/ft
1,58 MW
2 ht/m2
- Los combustibles de mayor
ceniza (20%)
humedad (20%)
limitan la liberación de calor a
425.000 Btu/ft
1,34 MW
2 ht/m2
- Para el caso de antracitas, con muy bajos volátiles, la liberación de calor no supera los
350.000 Btu/ft
1,1 MW
2 ht/m2
XV.4.- PARRILLAS MECÁNICAS PLANAS
En un hogar mecánico de carga superior, con parrilla móvil y alimentador distribuidor, (hogar con
parrilla mecánica plana), el carbón se esparce uniformemente dentro del hogar sobre toda la superficie
de la parrilla. Las partículas de combustible finas ignicionan y queman en suspensión, mientras que las
más gruesas caen sobre la parrilla y se queman en un lecho delgado en un proceso específico de combustión
rápida. Como el combustible se ha esparcido por igual sobre la totalidad de la superficie activa de la
parrilla, el
Una parte del
parrilla, como
El hogar con parrilla mecánica plana, es el sistema de hogar mecánico más versátil y utilizado.
airecomburente se distribuye uniformemente bajo la parrilla y a través de la misma.airecomburente total se admite a través de portillas situadas por encima del nivel de laairesecundario.Combustión del carbón.-
equipada con un hogar mecánico de carga superior con parrilla móvil (parrilla mecánica plana)
y con alimentador distribuidor. El hogar está construido con paredes rectas tipo membrana, refrigeradas
por agua, lo que minimiza el refractario requerido; para quemar carbón en parrilla mecánica plana,
no se suelen utilizar las bóvedas de combustión.
La instalación de un hogar mecánico de carga superior con alimentador distribuidor consta de:
La Fig XV.5 representa una caldera diseñada para quemar carbón bituminoso,- Unidades de alimentadores que se encargan de distribuir uniformemente el combustible sobre toda la parrilla
- Dispositivos de medida del flujo de aire
- Equipos de captación y reinyección de polvo
- Sistema de aire
en la parte superior del lecho de combustible
- Controles de combustión para coordinar el suministro de aire y combustible, según la demanda de vapor
comburente que incluye ventiladores de tiro forzado en la cámara de aire que está debajo de la parrilla yAlimentadores distribuidores.-
dispositivo que lo impulsa en toda la profundidad de la parrilla, repartiéndolo uniformemente.
Los
de gravedad, de placas oscilantes y de transportadores aforadores de cadena.
Los
de vapor o de aire, y los sistemas de rotores de subvoleo y sobrevoleo.
Los dispositivos asistidos por vapor o por aire se pueden emplear junto con los sistemas de rotores.
La Fig XV.6 muestra un alimentador distribuidor en el que la cadena aforadora desplaza el carbón
desde una pequeña tolva hasta caer en un rotor asistido por aire equipado con paletas curvadas, para
conseguir un reparto uniforme del carbón sobre la superficie de la parrilla.
Con este sistema se ha mejorado la capacidad de alimentación y distribución, con reducciones del
10
Tienen la capacidad de facilitar la carga de carbón mediante unmecanismos alimentadores de carbón hacia el dispositivo cargador son de varios tipos, como losdispositivos distribuidores reparten el carbón dentro del hogar; incluyen los asistidos por inyección÷ 15 % en los NOx.XV.-443
Fig XV.5.- Caldera de hogar mecánico con distribuidor quemando carbón; capacidad 200.000 lb/h ó (36,5 kg/s) de vapor
Fig XV.6.- Alimentador de carbón tipo cadena para hogar mecánico Detroit OT
Parrillas para alimentadores distribuidores.-
con alimentación a granel, para quemar carbones de diversos rangos se han utilizado una extensa
variedad de tipos de hogar mecánico de carga superior con parrilla móvil y alimentador distribuidor.
Las unidades de hogar mecánico de carga superior con
Al igual que en el hogar mecánico de carga superiorparrilla estacionaria
parrilla basculante
, no se utilizan.
Las unidades más comunes incorporan un hogar mecánico de carga superior con alimentador distribuidor
y
parrilla móvil
parrilla vibrante refrigerada por agua
XV.-444
Fig XV.7.- Alimentador de carbón tipo cadena para hogar mecánico Detroit UT
La parrilla de la Fig XV.7 cuenta con un sistema de medida de aire que elimina la necesidad de compartimentar
la cámara de aire que está debajo de la parrilla, con vistas a lograr una buena distribución
y un buen control del
airecomburente.- Este diseño cuenta en la parte frontal y en la posterior, con cierres de aire móviles y ajustables
- La parrilla se soporta apoyada, por lo que requiere de una junta de expansión en su unión con el hogar refrigerado por
agua, ya que éste es de construcción suspendida
- La parrilla es un transportador móvil sinfín, que consta de una serie de eslabones que conforman una pareja de cadenas
idénticas y paralelas, a los que están ligadas las barras de la parrilla, que son las que contienen los agujeros para dosificar
el aire
- Las barras de la parrilla están mecanizadas para que encajen con las barras adyacentes y así minimizar las posibles
fugas de aire entre ellas
- Las cadenas y las barras deslizan sobre los carriles de la parrilla, sirviendo la zona de deslizamiento entre la parrilla y
el carril como cierre para impedir una excesiva fuga de aire, que circunvale las toberas de admisión del aire
comburente- La parrilla se desplaza desde la parte posterior hacia el extremo en el que se encuentra la alimentación del combustible
(parte frontal), con lo que se facilita una óptima configuración de la distribución de las partículas mayores de combustible y
el máximo tiempo de residencia para el final de la combustión
- La ceniza se transporta por el extremo de la parrilla y vierte a una tolva apropiada
La parrilla móvil tiene un diseño duradero, pero las partes móviles están sometidas a un desgaste
no despreciable, que se minimiza manteniendo la velocidad de la parrilla por debajo de 40 ft/h (3,3 mm/s);
el desgaste tiene dos facetas a resaltar:
- Limitar la utilización de la parrilla móvil en algunas aplicaciones como en el caso de combustibles con alto contenido
en ceniza
- Reducir la liberación de calor por unidad de superficie de parrilla, y el aporte de calor a la entrada por unidad de anchura
del hogar
Hay tipos de parrillas móviles, Fig XV.6, similares a la parrilla sinfín, compuestas por un conjunto
de eslabones de cadena, que forman un transportador sinfín. El
de los huecos entre eslabones; la cámara de aire que está debajo de la parrilla está compartimentada
para controlar el aire.
airecomburente de admisión pasa a travésXV.-445
Las parrillas vibrantes refrigeradas por aire, parecidas a la de la Fig XV.3, se utilizan:
- En algunas aplicaciones de parrillas mecánicas planas
- En hogares mecánicos de carga superior con parrilla móvil y alimentador distribuidor
La aplicación de los hogares mecánicos de carga superior con alimentador distribuidor y parrillas
vibrantes, es análoga a la de los hogares mecánicos de carga superior con alimentador distribuidor y parrillas
móviles; la diferencia es que las primeras son más pequeñas.
Sistema de reinyección de C.-
produce en las parrillas mecánicas planas, da lugar a un arrastre de partículas de combustible que están
parcialmente quemadas.
Para alcanzar la máxima eficiencia en la combustión, las partículas arrastradas (ceniza volante)
se capturan en un colector de polvo y se devuelven al hogar para que completen la combustión. El sistema
de manipulación de la reinyección es neumático, Fig XV.5. Las partículas de C y algo de ceniza se
capturan en el colector mecánico de polvo y se dirigen a una caja de recogida, en la que se inyecta aire
como fluido de transporte, para conducir el material recogido hacia el hogar de la unidad generadora de
vapor. A lo ancho de la unidad se disponen múltiples portillas, para mezclar el
dentro de la zona de combustión y mejorar el acabado de la combustión.
En la reinyección no es conveniente llegar a niveles significativos de ceniza, ya que ello contribuye a
la erosión de las superficies de la caldera y a una escorificación en la parrilla. El colector mecánico de
polvo es muy eficiente en la captura de grandes partículas, como el
arrastradas de mayor tamaño.
La reinyección de
El alto grado de combustión en forma de lecho suspendido que seCinquemado uniformementeCinquemado que está en las partículasCinquemado mejora la eficiencia de la caldera un 2÷ 4%.Sistema de aire
orden del 25%, medido a la salida del hogar.
El
comburente.- Las unidades con parrillas mecánicas planas, operan con aireexceso delairecomburente se subdivide en tres:Aire
Aire
Aire del alimentador distribuidor
primario debajo de la parrillasecundario encima de la parrilla
Debido al alto grado de combustión que tiene lugar en el lecho suspendido, se inyecta aire encima del
lecho de combustible de la parrilla, para completar la combustión y minimizar la cantidad de humos correspondiente;
esto implica que del orden del 15
inyecta encima del lecho de combustible, a la presión de
÷ 20% del aire total se utilice como airesecundario, que se15 a 30 wg
3,7 a 7,2 kPa
a), a través de una serie de pequeñas
toberas, situadas en las paredes frontal y trasera, Fig XV.8.
El proceso de combustión en parrillas mecánicas planas, con
aireprimario (65% bajo la parrilla) y airesecundario(35% encima de la parrilla), es una forma de combustión escalonada y resulta efectiva para
controlar la formación de NO
en los NO
35% de aire que se inyecta encima de la parrilla incluye cualquier tipo de aire que se requiera por los dispositivos
alimentadores de carbón.
En las paredes frontal y posterior, por encima del nivel del alimentador distribuidor de carbón, se
instala una fila de toberas de
del
algo de calor hacia las paredes de agua y rebajado su temperatura.
x; utilizando escalonamientos más profundos, se pueden alcanzar reduccionesx mayores. La unidad indicada en la Fig XV.7 se ha diseñado para un aireexceso del 25%; elairesecundario, Fig XV.8, con lo que se consigue un mayor escalonamientoairecomburente, retrasando su aporte, hasta que los gases calientes del lecho de combustible hayan radiadoXV.-446
El
penetración y buena mezcla, y se diseña para una presión estática máxima de 30”wg (7,5 kPa)
airesecundario se admite a través de toberas especialmente diseñadas, para conseguir una altaFig XV.8.- Sistema de aire
secundario sobre el lecho, para hogar mecánicoCaracterísticas del carbón a utilizar.-
combustión del carbón es muy versátil, ya que los hogares mecánicos de carga superior con alimentador
distribuidor pueden operar satisfactoriamente con todo tipo de carbones, desde el lignito hasta el bituminoso,
considerando como poco apropiados los que tienen menos del 18% de materias volátiles.
La tecnología del distribuidor para la alimentación yTabla XV.4.- Características típicas del carbón para hogar mecánico de alimentación a granel
con vistas a su utilización en sistemas alimentadores distribuidores
Humedad 25 % máximo *
Materia volátil 18 % mínimo
Carbono fijo 65 % máximo
Ceniza 15 % máximo
Índice esponjamiento libre -no aplicable-
Temperatura ablandamiento ceniza *, mínima 2000ºF (1093ºC)
Máximo = 1,25 (31,8)
Tamaño carbón, (") (mm) Mínimo = 0,75 (19,1)
Máx. 40 % a través de 0,25 (6,4)
* Mayor humedad requiere aire
** Por debajo de 2500ºF (1371ºC), la capacidad de las parrillas móviles se rebaja linealmente hasta el 70% de la que tiene para una
temperatura de fusión de ceniza de 2300ºF (1260ºC).
En parrillas estacionarias se rebaja linealmente hasta el 70% de la correspondiente a una temperatura de fusión de 2400ºF (1316ºC)
comburente calentadoLos carbones bituminosos arden fácilmente sobre parrilla móvil, sin necesidad de precalentamiento;
no obstante, puede ser necesario un calentador de aire cuando se pretenda mejorar la eficiencia de la
unidad, siendo la temperatura de diseño para el aire de 350ºF (177ºC). La utilización de un calentador de
aire restringe la selección de combustibles, tendiendo hacia los de menor contenido en Fe y mayor temperatura
de fusión, para así evitar la aglutinación y escorificación en el lecho de la parrilla.
Para lignitos y carbones subbituminosos con alta humedad, resulta imprescindible el empleo de un
calentador de aire en el intervalo de
350 a 400ºF
177 a 204ºC
.
En hogares mecánicos de carga superior con alimentador distribuidor, se pueden quemar carbones
que tengan altos contenidos en ceniza; para mantener la velocidad de la parrilla dentro de límites razonables
se reduce la liberación de calor.
La selección del carbón por tamaños es un problema en cualquier hogar mecánico; con un sistema
XV.-447
alimentador distribuidor se consigue algo más de tolerancia en esta situación porque se pueden ajustar
los regímenes del alimentador; en cualquier caso, la mayoría de los finos se queman siempre en suspensión
y no en lecho.
Selección de la parrilla.-
con parrilla móvil y alimentador distribuidor, se diseñan para regímenes máximos de liberación de
calor por unidad de superficie, del orden de
Las parrillas mecánicas planas en hogares mecánicos de carga superior750.000 Btu/ft
2,4 MW
2 ht/m2
Los hogares mecánicos de carga superior con parrilla vibrante y eliminador distribuidor se limitan a
unos valores de liberación de calor del orden de
650.000 Btu/ft
2,05 MW
2ht/m2
La longitud activa de la parrilla se limita a la que pueda alcanzar el carbón enviado por el alimentador
distribuidor:
- En parrillas móviles, la máxima es de 21 ft (5,4 m)
- En parrillas vibrantes, la máxima es de 18 ft (5,5 m)
La anchura de la parrilla constituye un parámetro fundamental para:
- Obtener la superficie total de la misma, según las necesidades de diseño, ya que existe una limitación en la longitud
- Instalar los alimentadores distribuidores que sean necesarios
- Mantener un aporte de calor por unidad de anchura frontal de
13,5.10
13 MW
6 Btu/ft.ht/m
El régimen de liberación de calor en una parrilla mecánica plana de
750.000 Btu/ft
2,4 MW
2 ht/m2
, se aplica también
al caso de la reinyección del total de partículas procedentes de un colector mecánico de polvo; cualquier
cifra mayor que la indicada
incrementa la escorificación
provoca un excesivo arrastre de combustible
aumenta el total de inquemados
.
Cuando se emplea un tambor de accionamiento, la anchura de la parrilla es de 17 ft, (5,2 m).
Si se precisan capacidades superiores, que no se puedan alcanzar con la anchura anterior, se utilizaría
un sistema de dos parrillas con una anchura máxima de 34 ft (10,4 m) y longitud de 21 ft (6,4 m).
La máxima superficie de parrilla es de unos 700 ft
queme carbón, con una generación de vapor máxima de
2 (65 m2), que se corresponde para el caso de que se390.000 lb/h
49,1 kg/s
.
Evacuación de la ceniza.-
y alimentador distribuidor, se ha dimensionado adecuadamente y la unidad opera correctamente, la
ceniza que se descarga está fría y suelta, sin aglutinar.
La ceniza que sale del hogar se descarga en una tolva y, posteriormente, se evacúa mediante un
sistema convencional de transporte de ceniza, sin necesidad de molienda alguna.
Cuando el sistema de ceniza en los hogares mecánicos con parrilla móvilXV.5.- COMBUSTIÓN DE CORTEZAS, MADERAS Y OTROS COMBUSTIBLES DE BIOMASA
EN PARRILLAS MECÁNICAS PLANAS
La Fig XV.9 representa una caldera equipada con un hogar mecánico de carga superior con parrilla
móvil y alimentador distribuidor, (parrilla mecánica plana), diseñada para quemar cortezas y residuos
de madera. El hogar ofrece una zona de combustión controlada y está configurado con paredes de
membrana. La instalación comprende un conjunto de bocas de descarga sopladas por aire, que distribu-
XV.-448
yen de modo uniforme el combustible sobre la parrilla y dosifican el
airecomburente y cuenta con:- Ventiladores de tiro forzado, para proveer el aire
bajo la parrilla (aire
sobre el lecho (aire
primario)secundario)
- Un colector mecánico de polvo (ceniza volante)
- Control de combustión, para coordinar el suministro de aire y combustible con la demanda de vapor
Calderín de vapor
Banco de caldera
Sobrecalentador
Bóveda hogar
Quemadores gas
OFA
OFA
OFA
Calentador tubular
aire
Portillas de aire secundario OFA
Alimentación cortezas
Espita aire soplado
Tobera distribuidora
bajo espita
Descarga ceniza
Parrilla vibrante
refrigerada por agua
Cámara de aire bajo parrilla
Fig XV.9.- Caldera de hogar mecánico quemando carbón dotada de hogar con zonas de combustión controlada
Alimentadores distribuidores de cortezas
para boca de descarga asistida por aire, (espita neumática); en su diseño hay que tener en cuenta
los siguientes factores:
.- La Fig XV.10 representa un sistema de alimentación- La corteza se alimenta desde un silo dosificador mediante un canalón que llega a la entrada de la espita soplada por
aire
- El aire de combustión a alta presión, del orden de 20”wg (4,4 kPa), se introduce a través de una superficie toroidal,
transversal a la anchura de la boca de descarga
- Según la cantidad de corteza caída, el aire la impulsa hacia el interior del hogar a través de toda la profundidad de
la parrilla
- Para repartir la corteza uniformemente a lo largo de la parrilla, el aire de distribución es pulsatorio, merced a cortatiros
giratorios o a un distribuidor programado
- El flujo de salida de la espita neumática se diseña para conseguir trayectorias óptimas de las partículas de combustible
XV.-449
- A veces se suministran alimentadores mecánicos de cortezas, con características constructivas similares a las de los
equipos de hogares que queman carbón- Para alimentar las cortezas hay que instalar un número de espitas suficiente a todo
lo ancho de la unidad, controlando su distribución sobre la parrilla
- Las cortezas se transportan a través de unos silos dosificadores pequeños instalados en mayor número del que requiere
el tipo de combustión diseñada
- El exceso de cortezas que no intervienen en la combustión se devuelven al almacenamiento
- Los silos dosificadores individuales están equipados con alimentadores de tornillo, que dosifican las cortezas conforme
a la demanda de combustible requerido
Existen otros sistemas de alimentación, como
silos grandes
tolvas con fondos giratorios
, que han tenido éxito siempre
que se utilizó un combustible de iguales características que las de diseño.
Fig XV.10.- Distribuidor de combustible asistido por aire
Parrillas para cortezas (combustión de biomasa).-
cortezas es similsr a la que se utiliza en la combustión de carbón con distribuidor mecánico. Las cortezas
se alimentan sobre el lecho de combustible y se distribuyen uniformemente sobre toda la superficie
de la parrilla.
Una parrilla sinfín para combustión de- Aunque el diseño corresponde a una parrilla refrigerada por aire, siempre es importante mantener una capa de ceniza
sobre ella para proteger las barras frente a la radiación del hogar
- También se pueden emplear barras de parrilla de alta aleación, que tienen mayor resistencia a la degradación térmica
Cuando se queman cortezas con bajo contenido de cenizas, las parrillas funcionan de forma intermitente.
Las cortezas son combustibles de altos volátiles que, combinadas con los finos, se caracterizan por
un alto grado de combustión en suspensión. La gran cantidad de volátiles y poca ceniza permiten dimensionar
las parrillas mecánicas para
un régimen de liberación de calor que llega a1.100.000 Btu/ft
3,47 MW
2ht/m2
y dimensiones
Anchura máxima 34 ft (10,4 m)
Profundidad 20 ft (6,1 m)
,
alcanzándose luna capacidad máxima de550.000 lb/h
69,3 kg/s
en vapor.
La ceniza de las cortezas (fundamentalmente sílice) es muy abrasiva, lo que junto a la alta temperatura
de exposición de las barras de la parrilla, da lugar a un elevado y costoso mantenimiento, por lo
que algunos fabricantes de estos equipos, han vuelto a introducir hogares mecánicos con parrilla vibrante
refrigerada por agua o directamente por aire. La Fig XV.11 muestra una versión refrigerada por agua,
en la que la combustión no es muy diferente de la que caracteriza el proceso en la parrilla sinfín. Hay
una serie de barras de parrilla con agujeros de canalización de aire, mecánicamente ligadas y soporta-
XV.-450
das por un emparrillado tubular refrigerado por agua.
Fig XV.11.- Hogar mecánico con parrilla vibrante refrigerada por agua, y detalles de la misma
Para mejorar esta refrigeración se usa un cemento especial conductor del calor, estando soportada
la parrilla refrigerada por agua, por un conjunto de correas flexibles.
Para transportar la ceniza, a la parrilla soportada por correas flexibles se imprime un movimiento
periódico de vaivén, suficiente para transportar y descargar la ceniza en la tolva de recogida.
En la parrilla refrigerada por aire, el emparrillado de tubos de agua se sustituye por un emparrillado
mecánico, cuyos componentes se refrigeran mediante un flujo de aire que sale por debajo de la parrilla.
Las ventajas de las parrillas refrigeradas por agua o aire, son:
simplicidad
mínimo movimiento mecánico
bajo mantenimiento
Para la combustión de cortezas y residuos de madera, el límite del régimen de liberación de calor por
unidad de superficie de la parrilla es de
1.100.000 Btu/ft
3,47 MW
2 ht/m 2
, y el vapor producido es
600.000 a 700.000 lb/h
75,6 a 88,2 kg/s
Sistema de aire
la combustión en hogares mecánicos requiere siempre un
La mayoría de los combustibles de biomasa son:
comburente.- Para las cortezas, maderas y la mayoría de los combustibles de biomasa,aireexceso del orden del 25%.De alto contenido en materias volátiles sobre base seca
De tamaños de gran heterogeneidad
De combustión en lecho suspendido
En consecuencia, los sistemas de
que normalmente se utiliza en el caso de quemar carbón. Los modernos diseños permiten que las cantidades
de aire debajo de la parrilla (
airecomburente se diseñan para facilitar más airesecundario, que elaireprimario) y sobre el lecho (airesecundario), sean un 40%÷ 60% del airetotal.XV.-451
El diseño, la disposición del sistema de aire sobre el lecho (
juegan un papel importante en la combustión completa de los combustibles. La Fig XV.9 muestra un diseño
de hogar con recirculación y mezcla en la turbulencia de la parte inferior del hogar. Las grandes toberas
de
la penetración y la mezcla, mejorando así la combustión. Conforme varía la distribución de tamaños,
se modifica también el grado de las respectivas combustiones en suspensión y en lecho.
Una partícula de combustible que ignicione en suspensión, puede ser demasiado grande para completar
su combustión y saldrá del hogar como pérdida por
airesecundario), y la geometría del hogar,airesecundario dispuestas en varios niveles, proporcionan chorros de aire con alta energía que facilitanCinquemadoAlgunos factores que influyen en las pérdidas por
Cinquemado son:El tamaño del combustible
El régimen de liberación de calor
El contenido de humedad
La reinyección
Los hogares dimensionados para un régimen de liberación de calor máximo
18.000 Btu/ft
0,186 MW
2 ht/m2
, pueden
controlar las pérdidas por
En algunas unidades que queman biomasa se pueden conseguir otras reducciones, mediante la reinyección
del polvo o ceniza volante.
Debido al elevado contenido en sílice y a la alta abrasividad de la ceniza volante de la madera y de
las cortezas, los sistemas de reinyección de polvo no se utilizan con estos combustibles, por el alto coste
del mantenimiento, a no ser que se instalen separadores de arena, (la unidad que se representa en la Fig
XV.9 no incorpora ningún sistema de reinyección de ceniza volante).
Como el contenido en C es mayor cuanto más grandes sean las partículas de ceniza volante, se
suele utilizar un colector mecánico de polvo para separar y recoger la fracción de partículas de mayor
tamaño y reducir la carga y el contenido de C en el colector, que tiene tendencia a producir incendios en
el equipo de limpieza de humos.
Cinquemado, de modo que se sitúen entre un 1÷ 3%.Tamaño de la parrilla
.- Para la combustión de maderas y cortezas con contenido de humedad:- Inferior al 50%, la superficie de parrilla conduce a una liberación de calor de
1.100.000 Btu/ft
3,47 MW
2ht/m2
- Del orden del 35%, la liberación de calor es de
1.250.000 Btu/ft
3,94 MW
2ht/m2
Los hogares mecánicos de parrilla sinfín tienen limitaciones mecánicas que se pueden concretar en
20 ft (6,1 m) de profundidad equivalente de hogar y en 34 ft (10,4 m) de anchura. En general, las parrillas
de hogares mecánicos son más largas que anchas, porque este diseño es más barato; para una parrilla
refrigerada por agua, la profundidad viene limitada por la operatividad del alimentador distribuidor
para lograr un reparto uniforme de las cortezas sobre toda la profundidad de la parrilla, del orden de 26 ft
(7,9 m) y anchura 34 ft (10,4 m).
Cuando se queman madera y cortezas, lo mejor para la combustión es precalentar el
para hacer frente a las variaciones estacionales de la humedad de estos combustibles, y al interés de
quemarlos junto con lechadas, la temperatura del
constituye el límite para la
La
(343ºC); en caso de necesidad se prefiere aire caliente, para el
Hay otros combustibles de biomasa como la paja, cáscaras de arroz, bagazo, huesos de melocotón,
posos de café, restos de construcciones de madera, etc., que se pueden quemar en hogares mecánicos
airecomburente;airecomburente es de 550ºF (288ºC), temperatura queparrilla sinfín refrigerada por aire, con barras de hierro dúctil.parrilla vibratoria refrigerada por agua puede soportar temperaturas del airecomburente de 650ºFaireprimario y para el airesecundario.XV.-452
con parrilla móvil y alimentador distribuidor, siendo los criterios de dimensionado y utilización similares
a los indicados para la madera.
Evacuación de la ceniza.-
predominando la sílice (ceniza muy abrasiva), por lo que hay que procurar utilizar:
El contenido en ceniza de las maderas y cortezas es relativamente pequeño,- Bajas velocidades
- Materiales resistentes a la abrasión
La escoria recogida en la parte inferior del hogar cae dentro de una tolva desde la que se evacúa intermitentemente.
Debido al contenido en C y a la tendencia a incendiarse, la ceniza volante recogida en
las tolvas y en los colectores mecánicos se evacúa continuamente. Para transportar el polvo a los silos
de almacenamiento se utilizan sistemas de lodos húmedos o de gases inertes, prefiriéndose los sistemas
húmedos por su resistencia a los incendios y menor contaminación atmosférica.
Emisiones.-
de una unidad, requiere siempre de una autorización medioambiental, por lo que es importante el
predecir y controlar las diversas emisiones. La Tabla XV.5 presenta algunos valores típicos de emisiones
no controladas, propios de la combustión en hogares mecánicos que queman distintos tipos de carbón
y madera/cortezas, valores que se pueden modificar como consecuencia de la composición del combustible
y del tipo de equipo de la unidad.
La instalación de cualquier nuevo generador de vapor, o la remodelación y actualizaciónTabla XV.5.- Emisiones típicas no controladas para “hogar mecánico con distribuidor”
CO
Combustible Con reinyección Sin reinyección
Bituminoso 0,35 a 0,50 0,05 a 0,30 0,5 a 2,0 3 a 6
Subbituminoso 0,30 a 0,50 0,05 a 0,30 0,5 a 1,5 3 a 5
Lignito 0,30 a 0,50 0,10 a 0,30 0,5 a 1,5 3 a 5
Maderas/cortezas 0,20 a 0,35 0,20 a 0,35 0,5 a 1,5 2 a 5
NO
2l b/10
6 Btu l b/10 6 BtuPérdida C
inquemado (% calor aportado)Conversión aproximada: 1 lb/10
6 Btu = 1,230 mg/m3N (humo seco con 6% de exceso de O2, 350 m3N/GJ)El NO
Durante el proceso de combustión que tiene lugar en un hogar mecánico, la mayoría de los NO
x se forma a partir de la oxidación de los compuestos de N2 que hay en el aire y en el combustible.xprocede del N
encuentra en el aire (NO
mecánico. Las emisiones de NO
propia de la combustión en el hogar mecánico y, también, mediante el control de los niveles de
Para la combustión en hogar mecánico con bajos NO
2 que se encuentra en el combustible. La contribución debida a la oxidación del N2 que sex térmico) es pequeña, debido a las relativamente bajas temperaturas del hogarx se controlan de forma efectiva mediante la combustión escalonada,aireexceso.x, tanto de carbones como de cortezas/madera, elaire
se emplea un menor flujo de
Otros parámetros que pueden contribuir, al mismo tiempo, a reducir la formación de los NO
en
exceso es del 25%. Para controlar los NOx en los niveles más bajos de los indicados en la Tabla XV.5,aireprimario y un mayor flujo de airesecundario.x consistenminimizar la cantidad de finos en el combustible
utilizar aire
comburente a la temperatura ambiente
Muchos combustibles de desechos como la paja, y otros de tipo fibroso no madereros, tienen un alto
contenido en N
alta temperatura, produciendo elevados niveles de NO
En la mayoría de los hogares mecánicos que queman carbón o biomasa, si estos combustibles con-
2; los desechos comerciales, como la madera de demoliciones, están secos y queman ax.XV.-453
tienen S, los gases de combustión contendrán SO
se puede suponer que todo el S pasa a SO
dependen de la eficiencia del proceso de combustión y de la cantidad y control de finos y de
el CO se incrementa cuando se reducen los NO
2, y para dimensionar y seleccionar el equipo de control,2. Las emisiones de CO y de compuestos orgánicos volátilesaireexceso; normalmente,x.Tamaño recomendado indicado por la línea en rojo. Tamaño aceptable encerrado en las zonas coloreadas
Fig XV.12.- Dimensionado recomendado en hogar mecánico con distribuidor, quemando cortezas de madera
Alimentación combustible
Paso de convección
Calderín de vapor
Economizador
Parrilla mecánica
Aire
Ceniza
Humos
Fig XV.13.- Diseño de caldera moderno de parrilla inclinada,
para combustibles de bajo poder calorífico (bagazo), y alta humedad
XV.-454
Fig XV.14.- Caldera de parrilla inclinada, construida en Europa,
para quemar residuos del aceite de palma (fibra y cáscaras)
Zona combustión secundaria
Hogar
Transportador de ceniza neumático
Transportador escoria
Transportador ceniza de cadena
Agua
Vapor
Calderín de vapor
Alimentador de desechos
Parrilla
Evaporador Sobrecalentador Economizador
Fig XV.15.- Caldera avanzada tipo (MSW), construida en Europa para futuras aplicaciones EFB
XV.-455
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