aerodinamica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor

Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor

AERODINÁMICA DE QUEMADORES Y FLUJO

DE AIRE EN GENERADORES DE VAPOR.

Ing. Mario Huerta Espino Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Procesos Térmicos.

“Curso de combustión y puesta a punto de generadores de vapor de centrales termoeléctricas de C.F.E.”


AERODINÁMICA DE QUEMADORES Y FLUJO DE AIRE EN GENERADORES DE VAPOR. Contenido 2.2 Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor. 2.2.1 Aerodinámica de quemadores. 2.2.2 Flujo de aire en generadores de vapor. 2.2.3 Conclusiones.

Anexo “A”. Calculo de la relación aire/combustible en el quemador.

2.2.4 Referencias.



2.2 Aerodinámica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor. 2.2.1 Aerodinámica de quemadores. La combustión puede definirse como una rápida combinación química del oxígeno con los elementos combustibles o el combustible mismo, con desprendimiento de calor. Combustible + Aire → Productos + Calor Dentro de los requerimientos necesarios para que se lleve a cabo este proceso se encuentra:

a. Contar con una fuente de ignición. b. Oxidación del combustible sobre una base continua. c. Reignición constante. d. Inyección del combustible. e. Forma definida de flama. f. Minimizar la formación de emisiones contaminantes. g. Estabilidad y operación confiable.

El fenómeno de flama es el resultado de una compleja interacción de procesos físicos y químicos. Se define como una rápida reacción oxidante exotérmica en fase gaseosa capaz de propagarse a si misma, en la que mecanismos de transferencia de energía, masa y momentum juegan un papel preponderante. La combustión en fase gaseosa abarca tanto a combustibles gaseosos como líquidos, ya que estos últimos se tiene que presentar una vaporización antes de la combustión. En el estudio de flamas, los parámetros de interés son: i) la rapidez de propagación de la reacción entre zonas con y sin combustión, ii) la velocidad de reacción a la cual se consumen los reactantes, y iii) la transferencia de energía (por radiación y convección de la flama hacia sus alrededores). Existen dos clasificaciones de tipos de flamas: premezcladas o de difusión y laminares o turbulentas. Flamas premezcladas, el combustible y el oxidante se mezclan antes de la zona de reacción. Ejemplo típico: mechero bunsen con los orificios de aire abiertos, flamas de estufas domésticas. Flamas de difusión, la mezcla del aire con el combustible se efectúa por un mecanismo de difusión. La palabra difusión implica que dos flujos inicialmente separados entran en contacto a nivel molecular.


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La mayoría de las flamas con aplicación industrial caen dentro de la clasificación de flamas de difusión, p.ej. flamas en hornos y calderas. El oxidante y el combustible se suministran por corrientes separadas, a excepción de las flamas de carbón pulverizado. Una flama laminar o turbulenta, depende de si el fluido en el que se produce el quemado es catalogado como laminar o turbulento. Esto es claro que depende del número de Reynolds del flujo.

µρdv

=Re ,

Donde v es la velocidad promedio, d es el diámetro del tubo o luna longitud característica, µ es la viscosidad y ρ la densidad. Re < 2300 flujo laminar, 2300 < Re < 3200 flujo inestable y Re > 3200 Flujo turbulento. En la mayoría de las flamas de difusión, la velocidad a la cual el combustible y el oxidante son físicamente capaces de mezclarse o difundirse entre sí es mucho mas lenta que la velocidad a la cual las reacciones químicas se llevan a cabo una vez que las moléculas de combustible y oxidante se ponen en contacto. La rápida reacción en la que se efectúa este proceso, solo es limitada por el proceso de mezclado del aire/combustible a escala microscópica, por lo que se considera que “el modelo de combustión es básicamente un modelo de mezclado”, donde las condiciones requeridas para asegurar la eficiencia de este proceso están fuertemente relacionadas con la aerodinámica del sistema de combustión. La extinción de la flama puede ocurrir cuando la velocidad de la reacción química no puede mantener el ritmo de suministro de reactantes. Lo que sucede es que existe un flujo determinado de reactantes para el cual la reacción química no puede proceder a un ritmo lo suficientemente veloz como para calentar a los reactantes a una temperatura alta que sostenga la combustión. Para que se cumpla con la condición de estabilización de flama en un campo de velocidades no necesariamente uniforme, debe existir un punto donde la velocidad del flujo es igual pero de sentido contrario con la velocidad del frente de flama (zona donde se produce la reacción de combustión). En otros puntos, la velocidad del flujo puede exceder la velocidad de la flama. En el caso de que la velocidad del flujo excede la velocidad de quemado en todos los puntos del frente de flama, se puede presentar una condición de apagado de la flama.


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Contrariamente a la condición anterior, cuando la velocidad de quemado excede la velocidad del flujo, el frente de flama retrocede hacia el quemador, presentándose el retroceso de flama. Diversas características de la combustión, dependen de los aspectos aerodinámicos, por lo que éstos adquieren una gran importancia en el quemado de cualquier combustible empleado. Un quemador es un dispositivo que produce una flama. Debe mezclar el combustible y un agente oxidante en proporciones que se encuentran dentro de los límites de la flamabilidad para el encendido, así como también para lograr una combustión constante y eficiente. La aerodinámica del quemado debe proporcionar una distribución uniforme del aire de combustión y del combustible. Sin embargo, para garantizar en todo momento una mezcla uniforme con los productos de combustión intermedia, es necesario además dotar al aire de una elevada turbulencia, que favorezca la difusión. Dicha turbulencia debe ser tal que asegure una flama que se caracterice por una forma bien definida y por unan elevada estabilidad. Sin estabilidad en la flama se puede presentar la extinción de la combustión o dar como resultado varias pulsaciones del hogar que dañarán los equipos, en los casos extremos, se pueden producir explosiones con efectos desastrosos. Para ello, los patrones de flujo del aire de combustión, a la salida de los quemadores, deben combinarse adecuadamente con los del líquido atomizado o combustible inyectado. De no ser así, se podrían establecer zonas con diferente concentración de oxígeno, algunas muy ricas y otras pobres en este oxidante. Para clasificar las calderas a fuego directo pueden adoptarse varios criterios, uno de los cuales se basa en el arreglo de sus quemadores. De acuerdo con tal criterio, éstos pueden agruparse en: 1) Calderas con quemadores tangenciales (figura 2.1). 2) Calderas con quemadores frontales (figura 2.1). Las calderas de combustión tangencial reciben este nombre debido a que durante su operación forman un ciclón de flamas en el hogar originado por la posición de las toberas ajustables de aire, quemadores de gas y combustóleo, los cuales se encuentran instalados en las esquinas de hogar, y que en operación hacen incidir la mezcla aire combustible en forma tangencial al centro del hogar (ver figura no. 2.2).


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Las calderas que usan quemadores tangenciales surgieron como una innovación tecnológica, al utilizar quemadores inclinables o basculantes como alternativa de control de la temperatura del vapor recalentado, suprimiendo así, la necesidad del recirculador de gases que se utiliza en los que poseen quemadores frontales. Pese a que algunas calderas con quemadores tangenciales de diseño más moderno, incorporan los dos métodos de control de temperatura de vapor recalentado, es decir, quemadores basculantes y el recirculador de gases, la inclinación de los quemadores sigue siendo un método efectivo y económico de control. Una diferencia importante entre los dos tipos de generadores la constituye la forma y materiales de construcción del propio quemador. Un problema particular de los generadores de vapor que usan quemadores tangenciales y que no se presenta en los utilizan quemadores frontales, es que las toberas ajustables de aire suelen sufrir un deterioro acelerado, de tal forma que el generador de vapor necesita ponerse fuera de servicio con bastante frecuencia (de 10 a 24 meses según el caso). Otra característica desventajosa de algunos diseños de quemadores tangenciales, es su aparente necesidad de operar con excesos de aire relativamente elevados para producir combustión completa, lo que ha sido puesto de manifiesto en diversos estudios realizados en centrales termoeléctricas y que resulta inconveniente por múltiples causas. No obstante lo anterior, existen diseños de quemadores tangenciales que si pueden operar con excesos de aire comparables a los de los quemadores frontales, lo que parece indicar que la posibilidad de quemar eficientemente con bajos excesos de aire (menos del 1% de O2 residual en gases de combustión) no es privativa de un determinado arreglo de quemadores (frontales o tangenciales), sino más bien del diseño particular de cada quemador. Las calderas que utilizan quemadores frontales tienen como característica principal que sus quemadores se encuentran localizados en la pared frontal del hogar, es decir en la pared que da al edificio del turbogenerador. Sin embargo, a medida que el diseño de la caldera es más grande, y por tanto el número de quemadores también aumenta, éstos se instalan tanto en la pared frontal como en la posterior (ver figura 2.3). “Curso de combustión y puesta a punto de generadores de vapor de centrales termoeléctricas de C.F.E.”

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Figura 2.1. Configuraciones de arreglo de quemadores.


Figura 2.2. Ciclón de flama o bola de fuego en quemadores tangenciales.

Figura 2.3. Flamas en quemadores frontales.


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Principios de diseño de generadores de vapor para quemado de aceites residuales del petróleo. El diseño de generadores de vapor para el quemado de aceites residuales del petróleo incluye el diseño del atomizador (o inyección del combustible), registros de aire, el horno, superficies de transferencia de calor y equipos auxiliares. La combustión de combustibles líquidos es un proceso más complejo que la combustión de un combustible gaseoso. El combustible líquido debe pulverizarse en pequeñas gotas para poder quemarse de una manera más eficiente. Los combustibles líquidos contienen una amplia variedad de hidrocarburos pesados y otras especies trazas, las cuales pueden tener puntos de ebullición a temperaturas diferentes. Como tal, la vaporización ocurre en un periodo más grande de tiempo, provocando que el tiempo de residencia requerido sea más grande que el de la mayoría de los gases.

En principio, se adoptan los mismos criterios de diseño para un quemador de combustible líquido que para un quemador de gas. Se busca una mayor eficiencia y una menor emisión de contaminantes, con la diferencia de los requerimientos necesarios para el manejo y sistema de suministro e inyección del combustible. La función esencial de un quemador como elemento central de un sistema de combustión de una caldera o generador de vapor, es la de mezclar e introducir el combustible y el aire para combustión en el horno. Esto de tal manera que se obtenga la penetración y forma de flama adecuada, para obtener la mayor eficiencia de quemado con el mejor aprovechamiento de la energía liberada para satisfacer la demanda del proceso.

El diseño de quemadores para calderas industriales y hornos de proceso debe enmarcarse dentro del contexto de garantizar máxima eficiencia, estabilidad operativa, bajos costos de mantenimiento y control de las emisiones contaminantes.

Dentro de los aspectos generales del diseño de quemadores, se consideran fundamentalmente como los más importantes:

1. La forma en la que se inyecta el combustible.

2. La aerodinámica del propio quemador.

Estos aspectos influyen directamente en:

• La estabilidad de la flama generada.

• En las técnicas empleadas para la estabilización de la flama.


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• En las características de la flama (forma, longitud y volumen). La forma de una flama para un proceso dado se ve influenciada también por la geometría y dimensiones del horno y los requerimientos térmicos del proceso. La cantidad de calor que se genera por cada quemador es un parámetro muy importante en el diseño del horno o hogar del generador de vapor, ya que este define el espacio requerido para completar la combustión. La función primaria del horno, es asegurar que el combustible tenga el suficiente tiempo de residencia para completar su combustión. La segunda función del horno, es enfriar la temperatura del gas por transferencia de calor a las paredes enfriadas por agua alrededor del mismo. En hornos de quemado de aceites residuales del petróleo, los gases no deben ser enfriados debajo de 1000ºC a la salida del horno, la velocidad de quemado de gotas de combustible es muy lento a estas temperaturas. Así cualquier combustible ínquemado podría no completar su combustión y por lo tanto la temperatura de los gases a la salida del horno de calderas de gran tamaño, alcanzar el rango de los 1350-1400ºC a la salida del horno. Mientras que la cantidad de calor liberado en la combustión en el horno es proporcional a el volumen del horno, la cantidad de absorción de calor es proporcional al área superficial de las paredes del horno. Dentro de cada una de las configuraciones que pueden presentarse en la posición de los quemadores en el hogar, hay algunos parámetros de diseño que pueden influir en el proceso de combustión y el funcionamiento integral del sistema de combustión, ver figura 2.4.

Para todas las configuraciones de un horno, el calor liberado por unidad de volumen o área superficial, es un parámetro importante que puede afectar tanto a la eficiencia del proceso de combustión, como a la formación de emisiones contaminantes. Algunas dimensiones especificas del hogar pueden llegar a ser importantes para seleccionar una configuración específica.

Para unidades de quemadores en una sola pared, la profundidad del hogar puede ser un parámetro importante en términos de que la flama pueda pegarse o choque con la pared posterior. En configuraciones donde los quemadores se ubican en paredes opuestas, el parámetro anterior no resulta ser tan crítico, debido a que el flujo opuesto entre los quemadores minimiza el recargamiento de las flamas hacia las paredes.


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En el caso de aplicación de principios de combustión para reducir la formación de los NOX (combustión en etapas o quemadores de bajo NOX), el tamaño del hogar puede llegar a ser una gran restricción a considerarse. Las flamas de los quemadores de bajos NOX, tienden a ser mas largas, aumentando el interés de que el combustible alcance a quemarse antes de que se apague al chocar con las paredes.

Los hornos con quemadores tangenciales pueden llegar a ser cuadrados o rectangulares en su sección transversal. La configuración rectangular del horno puede ser más propensa a producir una “bola de fuego” asimétrica, la cual puede provocar desbalances en la absorción de calor en el hogar y posiblemente desbalances de las concentraciones de oxígeno a través del horno.

Para todas las configuraciones de diseño de hornos para el quemado de combustibles líquidos (residuos del petróleo), la altura del horno sobre los quemadores, a la entrada de la sección convectiva, es un parámetro importante para proporcionar el tiempo de residencia suficiente para el quemado del combustible.

El tiempo de residencia de los gases de combustión en el hogar se define como el tiempo que tardan en recorrer los gases, la distancia entre el último nivel de quemadores (nivel superior) y la salida del hogar o nariz del generador de vapor. Un tiempo de residencia muy pequeño puede ser indicativo de un horno pequeño.

Otro factor indicativo de la condición de un horno o hogar pequeño en un generador de vapor es el parámetro de la cantidad de calor que se libera en la zona del quemador (BZRL, Burner Zone Heat Release Rate). Este parámetro se obtiene con la relación entre el calor total de entrada al hogar (Btu/hr) y el área de enfriamiento que rodea al quemador. El área de enfriamiento que rodea al quemador se define generalmente como el área superficial del hogar (ancho y profundidad), y la altura definida entre el nivel superior de quemadores y el nivel inferior, como se observa en la figura 2.5. A este respecto las condiciones para definir el BZRL en una caldera pueden variar de acuerdo a los fabricantes, algunos contemplan variaciones en la altura que se toma entre el nivel superior e inferior de quemadores. Altos valores de BZRL son indicativos de hogares relativamente pequeños, en los cuales los gases o productos de combustión ceden una menor cantidad de calor a las paredes, por lo que las temperaturas de combustión promedio resultantes son mas altas que aquellas encontradas en un hogar más grande con una mayor área superficial. Debido a que la formación de los NOX-térmicos es una función exponencial de la temperatura, este parámetro tiene un fuerte efecto sobre la producción de NOX.


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Figura No.2.4. Configuraciones de hornos y dimensiones criticas de diseño(1).


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Figura No. 2.5 Diagrama esquemático de las dimensiones necesarias para calcular la velocidad de liberación de calor en un generador de vapor.

Por lo tanto, la geometría y dimensiones del horno son parámetros de gran importancia para definir las condiciones del proceso de combustión y específicamente las condiciones de funcionamiento del quemador en cuanto a la liberación de energía para las necesidades del proceso en que sé este empleando. El tamaño de los hornos para quemar aceites combustibles es ligeramente más pequeño que los empleados para quemar carbón. Esto es a consecuencia de las más altas intensidades de combustión con combustibles líquidos y los mayores flujos de calor hacía las paredes(1). Una comparación relativa del tamaño del horno para el quemado de carbón, combustóleo y gas se presenta en la figura No.2.6.


Los requerimientos generales para un horno de un generador de vapor, independiente del método de quemado, son los siguientes:

1. El horno debe proveer el ambiente físico requerido y el tiempo para completar la combustión de cualquier partícula de combustible.

2. El horno debe tener adecuadas superficies de calentamiento por radiación

para enfriar el flujo de gas, lo suficientemente para asegurar una operación segura de las superficies de calentamiento por convección.

3. La aerodinámica en el horno debe prevenir el recargamiento de las flamas

sobre las paredes de agua y asegurar una distribución uniforme de flujos de calor sobre las paredes de agua.

4. El horno debe proveer condiciones favorables para la circulación natural

confiable del agua a través de las paredes.

5. La configuración del horno debe ser lo suficientemente compacta para minimizar la cantidad y acero y otros materiales empleados para su construcción.


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Figura No.2.6. Comparación relativa del tamaño del hogar de sistemas de

combustión frontales para diferentes tipos de combustible(1).


Criterios de diseño para los estabilizadores de flama (difusores). Existen diversos métodos de estabilización de flamas turbulentas:

1. Estabilización por medio de obstáculos (bluff bodies). 2. Estabilización por medio de impartición de giro o swirl. 3. Estabilización por medio de flamas piloto.

El propósito de la colocación de obstáculos o bluff bodies (ver figura 2.7), es el de reducir la velocidad del flujo de combustible y propiciar la formación de una capa límite que presente, en una zona interior, un punto que iguale a la velocidad de quemado con la velocidad del flujo. Normalmente se produce una separación de la capa límite, formándose una estela (wake) con un vórtice de flujo recirculante en el espacio creado por detrás del obstáculo. La transferencia de calor y masa entre la estela y el flujo es alta, y si existe combustión en el flujo circundante, gases producto de la combustión a alta temperatura penetran en el vórtice y son transportados aguas arriba, donde se pueden mezclar con reactantes, preparándolos para una eficiente ignición. El numero de giro o swirl (S) es un parámetro adimensional que permite caracterizar el comportamiento aerodinámico de un chorro de aire (jet), y se define en términos de dos cantidades características de todo “jet”: flujo axial de momentum angular (Gϕ) y el empuje axial (GX).

RSGGX

ϕ=

en donde R es el radio de salida del ducto o boquilla, y (Gϕ) y (GX) están definidos como:

rdr

drRUW

R

X

R

h

UG

rG

∫

∫

=

=

0

2

2

2

2

ρπ

πρϕ

Donde U y W representan a las componentes axial y tangencial de la velocidad.


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Un parámetro de interés en todo quemador es la eficiencia de generación del swirl (ver figura 2.7), ya que sólo parte de la perdida de presión a través del generador de swirl reaparece como energía cinética, existiendo una pérdida significativa en el mecanismo generador. En los casos donde se imparten swirls pequeños (S<0.6), no se logran crear los gradientes de presión suficientemente grandes para crear zonas de recirculación internas. En este caso, sin embargo, se logra incrementar la difusión mediante mezclado mas intenso. Cuando se incrementa el swirl por arriba de 0.6, el gradiente adverso de presión en la dirección axial es mayor al de la energía cinética del flujo en la misma dirección, con el resultado de la formación de una zona interna de recirculación. Esta zona de recirculación, la cual forma un vórtice toroidal, juega un papel primordial en la estabilización de la flama, ya que constituye una zona de intenso mezclado entre productos a alta temperatura y el combustible recién inyectado. Contrasta con la estabilización de bluff bodies, ya que no es necesaria la exposición de superficies sólidas que pueden ser susceptibles a daños por altas temperaturas y depositación de material. Es importante hacer notar que varios parámetros de la flama como son su estabilidad, intensidad de combustión y tiempo de residencia, dependerán de la fuerza y el tamaño del vórtice formado, y es entonces de interés el poder relacionar a éstos como función de la geometría del quemador y las condiciones iniciales. El estabilizador tipo “Bluff Body”, generalmente no permite el paso del aire a través de él, excepto a través de un área relativamente pequeña provista por diseño, para asegurar su refrigeración. El estabilizador tipo “Swirler”, provoca un flujo rotacional sobre la corriente de aire en el eje central del quemador. Este tipo de estabilizador asegura una mejor refrigeración que provoca que se alcance un mayor tiempo de vida útil comparado con el de “Bluff Body” . Dentro de los diseños de quemadores actuales, existen propiedades aerodinámicas que definen o clasifican a un tipo de quemador. Las más importantes son: (a) de acuerdo a su configuración, en frontales y tangenciales, (b) de acuerdo al patrón de flujo de entrada del aire al quemador, en quemadores de flujo axial y quemadores de flujo rotacional y (c) por el tipo de atomización que emplean, atomización mecánica o con vapor. Asimismo, la problemática operacional o de diseño que presentan ha sido motivo de importantes estudios con la finalidad de dar solución a estos problemas y además buscar mediante modificaciones a la parte aerodinámica y de atomización la reducción de emisiones contaminantes como las partículas suspendidas totales (PST) y los óxidos de nitrógeno (NOX) principalmente.


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En algunos de los diseños de generadores de vapor de la CFE, se han detectado problemas diversos tales como, oscilaciones de flama, retrocesos de flama y deterioro de algunos componentes expuestos a altas temperaturas, como los estabilizadores de flama. En la mayoría de los casos el origen de estos problemas puede iniciarse en el diseño mismo del equipo por los cambios que ha tenido la calidad del combustible, ya que fueron especificados para un tipo de combustible dado y el combustible empleado actualmente ha venido empeorando su calidad, por lo que el factor inicial de diseño del calor liberado en el quemador se modifica, afectándose desde el tiempo de residencia requerido para su quemado, patrones de flujo de entrada del aire al quemador y patrones de flujo térmicos en el horno, ya no son los adecuados por lo mencionado anteriormente, por lo que en algunos casos se requieren modificaciones o ajustes a las condiciones operativas y en otros casos cambios de diseño, en la parte aerodinámica y de atomización.

La función del estabilizador de flama es la de crear una zona de baja presión frente a la ficha de atomización del combustible, formándose así una zona de recirculación de gases de combustión lo suficientemente amplia, simétrica e intensa para asegurar un buen mezclado entre el aire de combustión y el combustible atomizado. La zona de recirculación creada por el estabilizador es de gran importancia, porque permite que los gases de combustión regresen y circulen cerca de la ficha de atomización, lo que ocasiona que las fracciones más volátiles del combustible se evaporen, permitiendo la formación de un frente de flama bien definido.


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(a)

(b)

Figura 2.7. (a) Difusor tipo bluff-body, (b) Difusor swirler o de flujo rotacional.


En lo que respecta al tamaño y forma de la flama, estas dos características están determinadas, fundamentalmente, por la aerodinámica del quemador en su conjunto, es decir del diseño propio del quemador, sus compuertas del registro, quarl, etc., contribuyendo todos ellos a crear las condiciones de flujo adecuadas para la combustión. Actualmente, se han estado probando difusores de álabes curvos, los cuales por su misma geometría presentan menores obstrucciones al paso del aire, con menores caídas de presión y provocándole un movimiento rotacional al aire. Estos diseños de difusores de álabes curvos han sido probados en quemadores de flujo axial con buenos resultados en cuanto a características de la flama que producen y las emisiones de PST y NOX, por lo que es muy importante determinar las características de diseño en cuanto al dimensionamiento del álabe, diámetro del difusor y número de álabes, que permita funcionar adecuadamente en un quemador de flujo rotacional con un frente de flama bien definido, sin afectar los límites de estabilidad de la flama y sin que se presenten efectos secundarios como oscilaciones de flama y recargamiento de esta hacía las paredes del hogar de un generador de vapor. El diseño de un difusor es definido por la forma y tamaño de la zona de recirculación requerida, por la interacción que tenga con la distribución espacial del spray de combustible para poder tener un frente de flama estable y con la mínima producción de PST. De esta manera los criterios que definen el diseño óptimo de un difusor son: 1) La forma y tamaño de la zona de recirculación. 2) El patrón de flujo de la zona de recirculación. 3) Número de giro (swirl) que favorezca a la obtención de un mejor mezclado del

aire con el combustible. 4) Menores caídas de presión provocadas al sistema. 5) Una mejor interacción con el patrón de flujo del spray de combustible. Para evaluaciones del diseño aerodinámico de quemadores, la mayoría de los fabricantes se contempla tanto el empleo de métodos experimentales de laboratorio, con la fabricación de modelos a escala para predecir el comportamiento fluidodinámico de los quemadores, así como la simulación de este comportamiento empleando el código de modelación matemática y hornos experimentales.


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Métodos experimentales de laboratorio para la evaluación aerodinámica de quemadores. Pese a que la mejor forma de caracterizar un fenómeno es la medición física de este en el lugar de origen, lo cual aseguraría que la medición del fenómeno presenta la realidad, muchas veces esta práctica resulta ser imposible de realizar, por múltiples causas; una de ellas, es que se tendría que utilizar un generador de vapor para pruebas experimentales por un tiempo determinado lo que ocasionaría una indisponibilidad y pérdida económica. Por lo anterior, una gran cantidad de fenómenos tienen que ser estudiados en modelos físicos a escala reducida, utilizando diversas técnicas de modelación y medición experimental. La evaluación fluidodinámica en frío con un modelo a escala del diseño del quemador, en contraparte al análisis empleando la simulación matemática, tienen como objetivo la evaluación fluidodinámica de diferentes diseños de estabilizadores de flama y proponer un diseño que le permita al generador de vapor operar en forma continua y confiable, con baja emisión de productos de combustión indeseables partículas (ver figura 2.8) . Para el empleo de modelos a escala para estudios aerodinámicos en el diseño de quemadores es necesario cumplir con ciertos criterios de escalamiento. Idealmente, la similitud completa entre modelo y prototipo debe ser alcanzada, para asegurar la aplicabilidad de las conclusiones obtenidas en el estudio. Las diferentes categorías de similaridad relevantes a un proceso de combustión son: geométrica, cinemática, dinámica, térmica y química(2). Como resultado, un gran número de parámetros deben tener valores similares para ambas escalas, por lo que la modelación completa del proceso de combustión en general es difícil de realizar, y la selección de los criterios aplicables depende del objetivo y la información requerida, además de las características del sistema en particular.


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Figura 2.8. Ejemplo de modelo experimental de un quemador de flujo rotacional.

Modelación mediante la dinámica de fluidos computacional La dinámica de fluidos computacional o CFD como se conoce por su nombre en inglés Computational Dynamic Fluids, tuvo sus orígenes en la década de los 60s, sin embargo no fue hasta en la siguiente década que los resultados de esta nueva forma de resolver problemas de fluidos fueron publicados. La industria de servicios asociada a esta ciencia apareció a principios de los 80 alcanzando su máxima expansión en la siguiente década gracias al gran avance de la industria de los procesadores para computadoras(3). La dinámica de fluidos computacional ha sido definida de muchas formas, algunas generales como: "... la disciplina que utiliza procesadores computacionales para modelar numéricamente todos los flujos de interés en ingeniería" y otras mas especificas como "... la ciencia que permite determinar una solución numérica para las ecuaciones que rigen un campo fluido y transportar esa solución a lo largo del espacio o el tiempo para obtener una descripción numérica completa del campo de fluido de interés"(4,5). La teoría de la dinámica de fluidos computacional se ha aplicado en los


denominados códigos CFD, siendo este el término genérico que describe la solución de las ecuaciones fundamentales del campo del fluido [ecuaciones de Navier-Stokes ] acoplado con otras ecuaciones por métodos numéricos. Actualmente está generalizado el uso de varias técnicas de resolución numérica (diferencias finitas y volúmenes finitos) cuyas diferencias estriban principalmente en la forma de aproximar las variables de flujo y en el proceso de discretización empleado. En general, puede afirmarse que el Método de Volúmenes Finitos (MVF) fue originalmente desarrollado como una formulación especial de las Diferencias Finitas. La formulación de volúmenes finitos se realiza a partir de las ecuaciones de conservación en su forma integral, mientras que los métodos de diferencias finitas se basan en las ecuaciones diferenciales. La aplicación de los métodos de volúmenes finitos a códigos de CFD está ampliamente extendida y aceptada sobre todo en el ámbito de desarrollo de códigos comerciales. Dentro de los criterios de diseño de quemadores, la capacidad para mejorar la eficiencia de combustión y predecir y controlar la formación de contaminantes atmosféricos en la flama, requiere de un conocimiento de varios procesos tales como: el mezclado, la difusión y la reacción. Un mejor diseño de quemador será el que cuente con un acoplamiento adecuado de los dos procesos fundamentales en el proceso de la combustión: la aerodinámica y la atomización del combustible; de cuya interacción depende en gran medida el poder tener una buena combustión con mínima producción de contaminantes

Actualmente es importante mencionar que la mayoría de los diseños de generadores de vapor en centrales termoeléctricas de la C.F.E. fueron diseñados para quemar un tipo de combustible especificado, muy diferente al que se quema actualmente, por lo que es de esperarse que el flujo de calor liberado por cada quemador individualmente o en conjunto, por unidad de volumen o área superficial ha cambiado, por lo que en algunos casos pueden presentarse problemas de mala combustión por haberse modificado el tiempo de residencia requerido para quemar el combustible, las condiciones requeridas para alcanzar o controlar la temperatura del vapor y en otros casos perdida de estabilidad del tipo de flama generada. Por lo que es necesario evaluar las condiciones originales para ver la posibilidad de encontrar las condiciones requeridas de ajuste en las condiciones operativas o si son requeridas modificaciones de diseño en la parte aerodinámica del quemador (difusor, quarl o registro de aire) y en la ficha de atomización.


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2.2.2 Flujo de aire en generadores de vapor. Metodología para el control eficiente de la relación aire/combustible en un generador de vapor. Antecedentes técnicos de la importancia de tener una distribución de aire para combustión uniforme en generadores de vapor. El control del proceso de combustión en un generador de vapor se inicia desde los ductos y cajas de aire de los quemadores, donde se asume que debe existir una distribución uniforme de aire para cada quemador. La mayoría de los diseños de generadores de vapor no cuentan con una metodología o instrumentación directa del balance de la distribución del flujo de aire de combustión. Altos niveles de carbón sin quemar en la ceniza volante de una planta que quema combustibles fósiles (líquidos o sólidos), representan un signo inequívoco de una combustión ineficiente y de mayores consumos de combustible. Una de las causas por las cuales frecuentemente se presentan estos problemas es el desbalance de la distribución de flujos de aire/combustible en los quemadores, lo que podría ocasionar otros problemas, como alta producción de NOx. El balance de quemadores requiere de una serie de mediciones periódicas de los flujos de aire y combustible, lo que representa un objetivo difícil de lograr

(6,7). Cada diseño presenta características del control del flujo de aire propias, por lo que es de gran importancia incorporar alguna metodología directa o diseñar algún mecanismo que permita balancear el flujo de aire y tener mejores condiciones controladas de la relación aire/combustible, y por lo tanto un mejor control del proceso de combustión. Por lo general, solamente el flujo de aire total es monitoreado. El flujo de aire del ventilador de tiro forzado es medido por el empleo de un venturi o placa de orificio. El uso de compartimientos en cajas de aire, compuertas auxiliares sobre los quemadores o diseños de quemadores de bajos NOx, que producen caídas de presión irregulares en cada quemador, hacen necesaria la búsqueda de otras tecnologías de medición de flujo de aire. Otro aspecto importante por el cual es necesario tener una distribución de flujo de aire uniforme y operar con bajo exceso de aire, tiene que ver con la producción de los óxidos de nitrógeno (NOx), por lo que al poder llegar a tener controlada la relación aire-combustible, se podría tener un mecanismo de control de los NOx, partiendo del principio básico de reducción de estos compuestos sobre la base de una operación con bajo exceso de aire

(8,9).


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Flujo de aire en calderas. Sistema de suministro de aire. El sistema de suministro de aire en conjunto con el sistema de suministro de combustible son los dos subsistemas más importantes que interactúan con los quemadores para proporcionar una “buena combustión”, en calderas con quemadores múltiples. En general es de esperarse que se lleve a cabo un proceso de combustión eficiente con mínimos niveles de exceso de oxígeno (O2), si se tienen las siguientes condiciones: • Cada quemador recibe una cantidad igual de aire. • Cada quemador recibe una cantidad igual de combustible. • Cada quemador proporciona las condiciones aerodinámicas adecuadas para

que se lleve a cabo una mezcla aire/combustible homogénea. Si el combustible que entra a cada quemador está adecuadamente “balanceado o distribuido”, pero el aire para combustión está desbalanceado, algunos quemadores podrían estar operando con relaciones aire/combustible (A/C) más altas que el promedio o diferente a la de los otros quemadores. Los quemadores operando con relaciones A/C más bajas podrían esencialmente determinar el límite de producción de monóxido de carbono (CO) o humo negro por la chimenea, para toda la caldera. Un quemador en una caldera con múltiples quemadores que tiene poco aire, en algunos casos, establece el mínimo punto de operación de O2 para toda la caldera. Por lo que el suministro total de aire a la caldera podría entonces tener que ser incrementado para proporcionar la relación A/C adecuada para el quemador que tiene poco aire, provocando que el resto de los quemadores opere con altos niveles de exceso de O2, disminuyendo la eficiencia de la caldera. Cuando existen desbalances en el suministro de flujo de aire provocado por la descarga de los ventiladores de tiro forzado (VTF´s), puede ser corregido por un mínimo ajuste al mantenimiento o procedimiento de operación de estos equipos, es más difícil corregir y aislar problemas con el diseño y operación de los ductos, compuertas, cajas de aire y componentes del quemador, como los registros de aire y garganta del quemador, que tienden a provocar desbalances en la relación aire/combustible entre los quemadores. Igualar las relaciones A/C entre los quemadores llega a ser muy crítico si la unidad opera a muy bajo exceso de aire, por ejemplo, considerar un quemador en particular que tiene un límite de “humo o de CO” para un nivel de exceso de O2 de 0.4%, si la caldera opera con un 1.0% de exceso de O2 sin alta producción de CO, PST y humo visible en la chimenea, los quemadores sólo pueden tolerar un desbalance correspondiente al 0.6% de O2 o cerca del 3.0% en flujo de aire, hacer mediciones con esta precisión en calderas es muy difícil, por lo que se buscan


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llevar a cabo una serie de medidas que garanticen obtener la mejor distribución de flujos de A/C en calderas para evitar que se presenten situaciones como las que se mencionan. Esta situación en muchos casos puede presentarse durante la aplicación de la metodología de afinación de calderas, y los resultados obtenidos posteriormente a la evaluación no pueden ser representativos de las condiciones reales del sistema de combustión. Otro problema que potencialmente puede presentarse con la existencia de desbalances de flujo de aire, es la modificación de los patrones de flujo térmicos dentro del hogar, con probable efecto en el control de las temperaturas de vapor en el recalentador y sobrecalentador. El sistema de suministro de aire comprende los siguientes componentes: 1. Los ventiladores de tiro forzado (VTF`s). 2. Precalentadores de aire. 3. Cajas de aire de los quemadores. 4. Ventiladores recirculadores de gases. 5. Ductos del sistema aire-gases de combustión. Otros parámetros importantes y algunos factores asociados con el sistema de suministro de aire para combustión son: • Balance de los ventiladores de tiro forzado (asumiendo flujo de aire igual por

cada ventilador). • Diseño de los ductos (proporcionando flujos uniformes en las cajas de aire). • Diseño de la caja de aire (distribución del aire uniformemente a los

quemadores). • Caída de presión en el calentador de aire (mínima deposición, mantener una

deposición uniforme entre los elementos del calentador y control de la temperatura de rocío).

• Ubicación de las compuertas y registros de aire. • Efectuar pruebas de reducciones de carga (rangos de operación del quemador,

intervalos de carga para los cuales los quemadores son sacados de servicio). • Control de la combustión (medición de flujo de aire, medición de O2, localización

de los puertos de muestreo para la medición de O2).


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Factores que contribuyen a que se presenten los desbalances de aire para combustión entre quemadores. Entre los principales factores que pueden contribuir a que se presenten desbalances de aire entre quemadores, se pueden citar los siguientes: • Diferentes resistencias de flujo en los ductos (entre los ventiladores de tiro

forzado y las cajas de aire). • Cambios de dirección provocados por vueltas, esquinas o regiones de

expansión en ductos sin apropiada apertura de compuertas o diseño de las mismas.

• Flujos transversales en las cajas de aire. • Variaciones en las dimensiones del quemador. • Estratificación de las temperaturas y fuerzas de flotación. Diferentes resistencias de flujo en ductos. Dentro de los factores que pueden contribuir a que se presente esta condición, se encuentran los siguientes: • Presencia de alta concentración de depósitos sobre los elementos del

precalentador de aire. • Asimetrías en la fabricación y armado de los ductos. • Mala colocación y operación de las compuertas en ductos. Los desbalances de flujo debidos a diferencias en la construcción de los ductos pueden ser determinados por inspecciones y mediciones de flujo de aire; para corregir desbalances debido a diferencias estructurales es recomendable efectuarlas mediante estudios de modelación de flujos en modelos a escala. La mala colocación y operación de compuertas puede ser corregida mediante inspecciones físicas y programas de mantenimiento.


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Cambios de dirección provocados por vueltas, esquinas o regiones de expansión en ductos sin apropiada apertura de compuertas o diseño de las mismas. Alguna de las causas comunes de problemas de mala distribución de flujo de aire en las “cajas de aire”, es la presencia de cambios de dirección provocados por vueltas, esquinas o regiones de expansión en los ductos, cuyo efecto puede ser corregido si existen longitudes rectas de ducto después de un cambio de dirección para poder restablecer la uniformidad del flujo. En los cambios de dirección frecuentemente se instalan compuertas o alineadores para reducir el efecto del cambio de dirección, en algunos casos es necesario el uso de placas perforadas u otro tipo de alineadores para amortiguar la turbulencia del aire y mejorar la estabilidad de flama. Desafortunadamente, estos mecanismos también provocan efectos, como altas caídas de presión, sobre el funcionamiento de los quemadores. Como resultado de lo anterior, estos quemadores pueden tener problemas de combustión para niveles de exceso de aire más altos que otros quemadores, si los alineadores de flujo no son correctamente instalados. Flujos transversales en las cajas de aire. Idealmente, la caja de aire sirve como un cabezal de presión para igualar la distribución de flujos a quemadores. En la realidad se presentan en algunos casos variaciones en la presión de entrada a cada quemador. Los quemadores del centro de la caja de aire pueden ser igualmente alimentados por ambos lados, los quemadores ubicados cerca de la entrada de la caja de aire pueden recibir flujo de aire por un solo lado. Este tipo de problemas pueden ser corregidos a través de estudios de comportamiento fluidodinámico en modelos a escala, y en algunos resultados obtenidos en estudios de este tipo, se ha determinado la instalación de mecanismos de control de flujo de aire a la entrada del quemador, como en el caso del estudio realizado en la unidad 3 de la central termoeléctrica de Altamira de la C.F.E., en cuyo diseño de quemador, posteriormente a un estudio de comportamiento fluidodinámico en un modelo a escala, se decidió cambiar el diseño de registro de aire, el diseño de estabilizador de flama y la instalación de un mecanismo que genera una diferencial de presión de velocidad en el venturi del cuerpo principal del quemador (una placa de orificio), con lo que se puede efectuar un balance del aire de combustión individualmente en cada quemador(10). Variaciones en las dimensiones del quemador.


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En un quemador cuando existen pequeñas diferencias en las dimensiones, puede provocarse que se manejen diferentes flujos al de los otros quemadores. En primera instancia, si la garganta del quemador se usara como un mecanismo de medición de flujo de aire, una garganta de 0.5 m podría requerir una tolerancia de fabricación de 7.62 x 10-3 m o 1.5% para igualar los flujos entre quemadores dentro del 3% de diferencia tolerable. Aun si la uniformidad es alcanzada durante la fabricación, montaje y puesta en servicio inicial, puede esperarse cierto deterioro durante los periodos de operación, limitando la posibilidad de emplear la garganta del quemador como un mecanismo de medición. Estratificación de las temperaturas y fuerzas de flotación. El perfil de temperaturas del aire para combustión a la salida del precalentador de aire podría no ser uniforme debido a la naturaleza de los procesos de transferencia de calor que se efectúan en este mecanismo. Se ha detectado que existe poco mezclado del aire entre la salida del precalentador y la entrada a la caja de aire, por lo que puede presentarse la estratificación de las temperaturas. Los efectos de flotación pueden llegar a ser importantes, particularmente a bajas cargas, presentándose en el fondo de la caja de aire con flujos de aire más altos para los quemadores inferiores. Ventiladores de tiro forzado (VTF´s). En generadores de vapor donde el suministro de aire es proporcionado por dos VTF´s, una buena distribución de aire requiere que ambos ventiladores suministren iguales volúmenes de aire. Cuando existe algún desbalance entre los VTF´s, puede ser provocado por control inadecuado en su operación y por acumulación de depósitos en las aspas. Desafortunadamente, no se realizan rutinariamente en un programa de mantenimiento, caracterizaciones y mediciones de flujo de aire, algunas veces por la falta de planeación y otras por la falta de condiciones del propio diseño del generador de vapor (falta de secciones suficientemente rectas para tener un flujo completamente desarrollado). Además, balancear los ventiladores en términos de flujo de aire es algo empírico, dependiendo sobre el diseño especifico de los ventiladores, el flujo puede ser controlado por: • Un regulador de tiro a la entrada del ventilador. • Compuertas a la entrada del ventilador. • Motores de velocidad variable de los VTF´s.


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Precalentadores de aire para combustión. Los precalentadores de aire para combustión son una parte integral del sistema de suministro de aire y generalmente son de dos diseños básicos: tubular y rotatorio regenerativo. Los más comúnmente empleados son del tipo rotatorios regenerativos. Cuando se quema un combustible de baja calidad como el combustóleo, algunos factores que pueden afectar el funcionamiento del sistema de suministro de aire son: • Condensación de ácido sulfúrico (H2SO4) sobre las secciones frías del

precalentador. • Fugas excesivas de aire, particularmente en el precalentador. Excesiva deposición en los precalentadores de aire regenerativos puede incrementar las caídas de presión provocadas por este equipo, afectando el balance del sistema de suministro de aire. Fugas en los precalentadores de aire. En los precalentadores de aire regenerativos, las fugas se pueden presentar por dos causas principalmente: • Por fugas directas, que ocurren a través de los sellos del lado aire al lado de

flujo de gases debidas a la presión diferencial entre el aire y el flujo de gases. • Por sellos rotos, desgastados o incorrectamente ajustados que pueden ser

motivo de excesivas fugas que afectan el balance de suministro de aire. Evaluación y diagnóstico de problemas asociados con el sistema de suministro de aire para combustión en generadores de vapor. Los principales procedimientos de diagnóstico empleados para la evaluación de problemas asociados con el sistema de suministro de aire son: • Evaluación del comportamiento del flujo de aire en ductos y cajas de aire. • Estudios de comportamiento fluidodinámico en modelos a escala. • Diagnósticos de combustión. Evaluación del comportamiento del flujo de aire en ductos y cajas de aire.


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En centrales eléctricas se han empleado básicamente tres métodos de medición en ductos(11): • Medición de velocidades en la sección transversal de un ducto de dimensiones

conocidas. • Flujo a través de un mecanismo calibrado (por ejemplo, placa de orificio,

venturi, placa perforada, etc..). • Mediciones de concentración con un gas trazador. El efectuar un mapeo transversal de velocidades con un tubo de pitot o un anemómetro es quizá el método más común para determinar el flujo de aire, particularmente cuando se diagnostican problemas de distribución. Idealmente, la medición de flujo en un ducto debe hacerse en una sección recta en donde el flujo esté completamente desarrollado y sea uniforme, condición que no se presenta generalmente en los generadores de vapor. Estudios de comportamiento fluidodinámico en modelos a escala. Cuando en algunos casos se detectan problemas de desbalance de flujo de aire en ductos, cajas de aire, quemadores, etc.., y si las mediciones de flujo de aire no pueden hacerse con la precisión requerida en un generador de vapor a escala real, es frecuentemente difícil y en algunos casos costoso corregir los problemas de desbalances en generadores de vapor a escala real. En estos casos, puede ser necesario evaluar el problema a escala de laboratorio mediante la construcción de un modelo. La modelación de flujo en frío está basada en el principio de similaridad. En la construcción de un modelo a escala, es necesario tomar las siguientes consideraciones para asegurar que los patrones de flujo obtenidos en el modelo sean similares a los que se tienen a escala real: • Similaridad geométrica de la unidad. • Similaridad dinámica del flujo. El escalamiento geométrico sirve para mantener patrones de flujo similares en el modelo. La similaridad dinámica entre el modelo y el equipo es establecida si el número de Reynolds del modelo es mantenido arriba de 15,000. Esto asegura que el flujo sea completamente turbulento y simule el mezclado turbulento del sistema a escala real.


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Los procedimientos de diagnóstico que pueden ser usados en modelos a escala incluyen: • Medición de velocidades transversales con tubos de pitot o anemómetros de

hilo caliente. • Gases trazadores para evaluar el proceso de mezclado. • Visualización de patrones de flujo, enfocado a determinar líneas de flujo en el

interior o en la frontera de éstos, y a proporcionar información sobre turbulencia, comportamiento de capa límite, zona de transición, esfuerzos cortantes, etc..

Existen algunas limitaciones en los estudios de modelación de flujos en frío en ductos y cajas de aire, por ejemplo, si en un modelo de una caja de aire existe el balance de flujo de aire entre quemadores, existen todavía algunas diferencias en el proceso a escala real debido a las fuerzas de flotación asociadas con las diferencias de temperatura en la corriente de aire. Es importante mencionar que a pesar de que los estudios de modelación de flujo en frío ofrecen un medio conveniente para evaluar problemas de comportamiento fluidodinámico en ductos y cajas de aire, también se deben tomar en cuenta sus limitaciones. Diagnósticos de combustión. En las mediciones que se realizan en un diagnóstico de combustión basados sobre el análisis del flujo de gases, generalmente a la salida del economizador, la composición del flujo de gases varía transversalmente en el plano de muestreo a la salida del economizador. Esto ocurre porque hay poco mezclado entre los flujos individuales de los quemadores, en el caso de generadores de vapor con quemadores frontales. Además, los flujos individuales de los quemadores pueden llegar a mantener su identidad a través de la unidad, lo que no se presenta para el caso de unidades con quemadores tangenciales. Estos problemas de estratificación pueden manifestarse de dos formas muy importantes al momento de realizar las mediciones: 1. La localización del punto de muestreo de gases de combustión puede llegar a

ser crítica. 2. La estratificación que se presenta puede ser usada como parte de la evaluación

para detectar quemadores en mal estado operativo. Para evitar este tipo de problemas es recomendable que se realicen “mapeos” transversales en los puntos de medición para encontrar los puntos representativos para la medición de gases de combustión.


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Este tipo de diagnósticos aplicados en los generadores de vapor no puede emplearse como método primario para la detección de desbalances en las relaciones A/C en los quemadores, sólo en el caso de algunos diseños de generadores de vapor con quemadores frontales en una sola pared, como se reporta en algunos estudios(12). Revisión de métodos de medición de flujo de fluidos en conductos cerrados. Dentro de las razones primordiales que se tienen para emplear sistemas de medición de flujo se encuentran: el poder cuantificarlo, la evaluación del funcionamiento, la investigación y el control de procesos. Existen muchos dispositivos para la medición de flujo de aire, algunos de ellos miden la velocidad del flujo volumétrico en forma directa, mientras que otros miden la velocidad promedio del flujo, el cual puede convertirse a velocidad de flujo volumétrico empleando la ecuación Q = AV. Asimismo, algunos de ellos proporcionan mediciones primarias directas, mientras que otros requieren calibración o la aplicación de un coeficiente de descarga a la salida del dispositivo. La forma de salida del medidor de flujo también varía en forma considerable de un tipo a otro. La indicación puede ser una presión, un nivel de líquido, un contador mecánico, la posición de un indicador en la corriente del fluido, una señal eléctrica continua o una serie de pulsos eléctricos(13). Para la medición de flujo de aire, generalmente no se pueden usar métodos directos, pero se puede medir alguna propiedad física alrededor del movimiento, por ejemplo: cambios de presión asociados con el movimiento, con efectos mecánicos, tales como la velocidad de rotación inducida en un rotor hecho de álabes ligeros montados en la corriente, y la velocidad de enfriamiento de un cuerpo caliente, tal como un hilo calentado eléctricamente, introducido en la corriente de aire. En un generador de vapor, el control del proceso de combustión depende en gran medida de la medición y control del flujo de aire para combustión. El flujo total de aire debe ser medido de la manera más exacta para poder hacer una evaluación de la distribución de flujo de aire desde los ventiladores de tiro forzado hasta la descarga en los quemadores. Dentro de los métodos ya mencionados de medición de flujo de aire en ductos de generadores de vapor, el método de medición de velocidades en una sección transversal de un ducto es el mas empleado a nivel de plantas termoeléctricas(11). La mayoría de los medidores de flujo pueden ser agrupados en cuatro categorías principalmente: a).- Medidores de presión diferencial.


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Los medidores de presión diferencial restringen el paso del flujo para crear una diferencial de presión que proporciona una medición indirecta. b).- Medidores de velocidad del flujo. Los medidores de velocidad del flujo usan un mecanismo primario para generar una señal lineal con la velocidad por lo que se multiplica por el área de la sección transversal para obtener un flujo volumétrico. c).- Medidores de flujo másico. Los medidores de flujo másico miden directamente el flujo másico del fluido. d).- Medidores de flujo volumétrico. Los medidores de flujo volumétrico dividen el flujo en pequeños volúmenes de valor conocido y que son contabilizados para proporcionar el flujo total. Para el caso de medición de flujo de aire en ductos de generadores de vapor, el método de medición del flujo es a partir de un mecanismo generador de una diferencial de presión. El método se fundamenta sobre la conservación de masa y energía dada por la ecuación de Bernoulli, empleando censores (elemento primario de medición) como placas de orificio, tubos venturi, anemómetros de hilo caliente, tubos de pitot tipo “L”, etc.. De estos elementos de medición, el “tubo de pitot” ha sido ampliamente usado como sensor de flujo para la medición de gases y flujos de aire en generadores de vapor de centrales termoeléctricas(11). Inicialmente, cuando el elemento primario de medición es colocado en la corriente del flujo, la velocidad del fluido a través del área restringida del elemento primario aumenta, causando una caída de la presión estática, la diferencial entre la presión aguas arriba y la presión aguas abajo provocada por la restricción del elemento primario, está directamente relacionada con el cuadrado de la velocidad del fluido que se desea medir y con su densidad(14). La presión diferencial creada por el elemento primario de medición es medida por un mecanismo traductor de presión, referido como elemento secundario. En virtud de las drásticas condiciones de operación y diseño de los equipos involucrados en la generación termoeléctrica, tales como humedad del medio ambiente, sólidos en suspensión, gases corrosivos y erosivos; altos diámetros equivalentes en ductos y puertos de medición pequeños, se restringe mucho la variedad de elementos de medición que proporcionen una exactitud confiable bajo estas condiciones.


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Los tubos de pitot han sido empleados ampliamente bajo estas condiciones con resultados que los recomiendan como un elemento primario confiable en la medición de flujos. Dentro de las limitaciones que se han encontrado es para el caso de la medición de flujo de gases y aire en régimen turbulento, y en diámetros equivalentes superiores a 1.0 m, por la dificultad que se tiene para mantener su rigidez debido a que nominalmente son de diámetros pequeños y por lo tanto demasiado flexibles, y requieren de puertos de muestreo bastante grandes, debido a su propia geometría. Debido a lo anterior, se recomienda el empleo de los cilindros pitot, que consisten en tubos rectos y con diámetros adecuados para proporcionarle la suficiente rigidez durante las mediciones, que además se pueden diseñar con diámetros de toma de presión diferencial altos (evitando taponamiento de los orificios) y de fácil inserción en puertos de muestreo pequeños. Para el diseño y construcción de un cilindro pitot existe una gran variedad de “constantes”, lo que facilita su calibración, siendo necesario solamente cumplir con la relación de diámetros de d/D ≤ 1/32 que se presenta en la figura No. 2.10.

Figura No.2.10. Representación esquemática del cilindro pitot. El método de medición de flujos en ductos que más frecuentemente se usa es el que se basa en la norma ASME PTC 19.10 1981. Este método menciona que obstrucciones aguas arriba o abajo de la zona de medición, así como estratificaciones por temperatura o por concentración, causan perturbaciones que


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generan incertidumbre y error en la medición. La norma tiene su punto de referencia en el método de las áreas iguales. Este número de áreas es determinado por el error con que se quieren hacer las mediciones y la distancia aguas abajo y arriba a la que se encuentran perturbaciones que afecten los patrones de flujo. Especificación y desarrollo de una metodología de medición de flujo de aire de combustión en un generador de vapor. El exceso de aire dentro de la operación de un generador de vapor es un mal necesario, mientras que es requerido para asegurar un mezclado completo y una máxima liberación de calor, también puede provocar mayores perdidas de calor. En un generador de vapor, cada quemador se comporta como un sistema de combustión individual, con sus propios requerimientos de aire para combustión y combustible, y por lo tanto sus productos de combustión, por lo que es importante poder conocer y manejar las relaciones aire/combustible (A/C) en cada quemador para evitar que se presenten desbalances de aire para combustión en quemadores y poder mejorar el control de la combustión con menor emisión de contaminantes atmosféricos. Existen reportes de proyectos desarrollados para evaluar la distribución de flujos de aire y combustible en generadores de vapor, en los cuales se observa que cuando hay un buen balance en las distribuciones de aire y combustible se tienen grandes beneficios en ahorros de combustible, reducción de emisiones de NOX y baja producción de partículas suspendidas totales (PST) (6). Características de control de flujo de aire en generadores de vapor. En la mayoría de los diseños de generadores de vapor que existen en México se suministra el flujo de aire a través de ventiladores de tiro forzado. El control de este flujo de aire se efectúa a través de compuertas ubicadas en la descarga de los ventiladores de tiro forzado. El sistema de control de estas compuertas es detectado por una indicación de porcentaje de apertura o a través de la indicación del amperaje en el cuarto de control, y está relacionado con el flujo total de aire de combustión. Un monitor en línea del porcentaje de O2 en gases de combustión a la salida de los precalentadores de aire, también es empleado como indicador de la apertura necesaria de estas compuertas para manejar el flujo de aire de combustión. En generadores de vapor con quemadores frontales, el flujo de aire es entregado por dos ventiladores de tiro forzado, los cuales descargan hacia el ducto de entrada del precalentador de aire. El aire para combustión es admitido a las cajas de aire y distribuido asimismo a los quemadores en donde se puede ajustar su


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distribución en forma individual, en algunos casos cuando el diseño de registro de aire lo permite (compuertas ajustables o cilindro deslizante). En sistemas de combustión con quemado tangencial, cada quemador tiene tres compartimientos de aire generalmente, el principal en el que se ubica el sistema de mezclado del combustible y aire para combustión, y los otros dos para aire auxiliar; uno arriba y otro abajo del aire para combustión. Cada compartimiento de aire del quemador y aire auxiliar tiene el arreglo de tobera inclinable. Las cajas de aire formadas de las esquinas de quemadores, tienen compuertas de mariposa que abren de 0 a 90º y son utilizadas para obtener una mejor distribución del flujo de aire de combustión y auxiliar. Estas compuertas no controlan el flujo de aire que se suministra al hogar o el porcentaje de oxígeno en los gases. El total de aire suministrado al hogar es controlado por las compuertas de los ventiladores de tiro forzado. En general es poco probable que la distribución del flujo de aire de las cajas de aire a los quemadores se lleve a cabo en forma homogénea o balanceada, cosa que es difícil de corroborar porque no existen indicadores o medidores individuales de flujo de aire de combustión en los quemadores en casi todos los diseños de generadores de vapor que se tienen en C.F.E. La solución de problemas asociados con la distribución de flujo de aire en generadores de vapor es considerado como uno de los pasos prioritarios para la aplicación de cualquier programa encaminado para la reducción de emisiones contaminantes. Generalmente el mayor problema que se presenta en cuanto a las regulaciones ambientales en lo que respecta a los NOX, está relacionado con la necesidad de buscar mantener un equilibrio entre los aspectos ambientales y económicos. De acuerdo a reportes de noviembre de 1996(16), la implementación de tecnologías de control de NOX en generadores de vapor, tales como: quemadores de bajo NOX, compuertas OFA y tecnologías de post-combustión, tiene costos de implementación entre $ 64.00 y $200.00 por kw-hr (en los Estados Unidos). Es recomendable que antes de la implementación de cualquier programa o tecnología de control de emisiones en generadores de vapor se deben revisar las condiciones de operación, mediante programas de afinación de parámetros, incluyendo balances de flujo de aire y combustible en el sistema de combustión, lo cual constituye una serie de medidas prácticas que pueden llegar a reducir las emisiones de NOX y PST, como se puede comprobar en el ejemplo de aplicación que se presenta en este tema. En muchos casos cuando las emisiones de NOX y PST en un generador de vapor están cerca de los límites de la norma de control ambiental, es posible que mediante la aplicación de programas de optimización de parámetros operativos, incluyendo el balance de flujos de aire y combustible, se logren obtener los valores


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de emisión requeridos y asimismo mejoras en la eficiencia del proceso de combustión. Tomando en cuenta las condiciones de diseño que se presentan tanto en los generadores de vapor con quemadores frontales, como en los diseños con quemadores tangenciales, existen condiciones geométricas que definen el tipo de mecanismo de control de flujo de aire que puede emplearse en un diseño en específico, en algunos casos el mismo diseño del quemador puede ser empleado como parte del mecanismo de control de flujo de aire y en otros casos es necesario realizar algunas modificaciones, como las realizadas en el diseño de la unidad 3 de la C.T. Altamira(10). Como se había mencionado, los procedimientos de diagnóstico empleados para solucionar problemas de desbalances de flujo de aire pueden contemplar desde un simple ajuste de las compuertas de los VTF´s, hasta estudios de comportamiento fluidodinámico en modelos a escala y empleo de la modelación matemática. Debido a que es de suma importancia distribuir el aire hacia los quemadores de manera más equitativa, es necesario implementar algunas medidas prácticas para tratar de mejorar la distribución de flujos de aire/combustible en los generadores de vapor. Balance de las distribuciones flujos de aire/combustible en un generador de vapor. Es muy común que existan desbalances en la distribución de flujo de aire en los generadores de vapor, manifestados en menores eficiencias térmicas, mayores consumos de combustible y una mayor emisión de contaminantes atmosféricos(15). En algunos casos estos desbalances se pueden solucionar en forma directa, maniobrando las compuertas de los ventiladores de tiro forzado, sin conocer la distribución de flujo de aire de entrada a cada quemador. Por tal motivo, es importante la aplicación del concepto de “Balance de Flujos de Aire/Combustible en Generadores de Vapor”. La metodología a seguir para la implementación del concepto de balance de flujos de aire/combustible en un generador de vapor, comprende las siguientes actividades generales: I. La implementación de un sistema de medición de flujo de aire en quemadores

para llevar a cabo el balance de flujo de aire/combustible. II. Pruebas de comportamiento operativo para realizar el balance de flujo de

aire/combustible.


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Dentro de la implementación del sistema de medición de flujo de aire en quemadores es necesario realizar las siguientes actividades: • Revisión de los planos de diseño del generador de vapor en lo que respecta al

sistema aire-gases de combustión. • Revisión de planos de diseño del quemador y cajas de aire. • Revisión de las condiciones actuales de diseño del diseño del quemador. • Especificación de alternativas para la implementación de un sistema de

medición de flujo de aire en quemadores individualmente, definiendo los puntos de medición en cada quemador.

• Selección del método de medición de flujo de aire de acuerdo al diseño de

quemador. Dentro de las pruebas de comportamiento operativo para efectuar el balance de flujo de aire/combustible se presentan las siguientes: • Evaluación en campo del sistema de medición de flujo de aire en quemadores. • Medición de flujos de aire a diferentes cargas (al 100% y 75%, principalmente). • Caracterización de un lote de fichas de atomización en lo que respecta a flujos y

presiones de vapor y/o combustible. • Primera medición de emisiones en condiciones iniciales. • Balance de aire/combustible tomando en cuenta los flujos de aire y la

caracterización de las fichas de atomización. • Ajuste óptimo de los principales parámetros de operación del generador de

vapor; como la presión de vapor de atomización, temperatura de combustible y diferencial de presión cajas de aire-hogar.

• Segunda medición de emisiones posterior a la aplicación del balance de

aire/combustible. Aplicación del balance de aire/combustible en un generador de vapor. La aplicación del concepto de balance aire/combustible se realizó en un generador de vapor con quemadores tangenciales de 350 MW de capacidad. Debido a


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restricciones de tiempo, en este caso sólo se realizó el balance de flujo de aire/combustible sin implementar la medición de flujo de aire de forma permanente. La metodología empleada en la medición de flujos de aire en quemadores consistió básicamente en: a) Definir la ubicación de los puntos de medición en cada quemador (ver figura

no.2.11). b) Efectuar un mapeo transversal de velocidades en cada quemador,

monitoreando presión de velocidad (∆P= 1/2 ρV2). c) Determinar los flujos de aire. d) Obtener la distribución o balance de flujos de aire/combustible. Como actividad complementaria a la medición de flujos de aire, se realizó la caracterización de un lote de fichas de atomización en cuanto a su comportamiento de presión contra flujo. Para realizar esta actividad existe un banco de pruebas para atomizadores en el IIE y otro en C.F.E. (en la C.T. Tula, Hidalgo).


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Figura No.2.11.- Ubicación del punto de medición en cada quemador de la unidad 3 de la C.T. Pdte. Adolfo López Mateos. Instrumentos y equipos de medición empleados. La medición de flujo de aire en quemadores se llevó a cabo empleando los siguientes equipos: a) Una sonda “cilindro pitot” de 2.0 m de longitud. b) Un traductor de presión o micromanómetro para lecturas de presión diferencial. El micromanómetro empleado para las lecturas de presión diferencial es un equipo portátil con tres rangos de operación, su precisión es de ± 1% de la lectura indicada, con un sistema de amortiguamiento para flujo turbulento, características favorables para las condiciones de medición.


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Cálculo del flujo de aire para cada quemador. Para calcular el flujo de aire de entrada a cada quemador se realizó un mapeo transversal en el ducto de entrada de cada quemador para la medición de presiones de velocidad (∆P, mm c.a.), como se presentan en la siguiente tabla (valores promedio del mapeo transversal en cada quemador): Tabla no.2.1.- Presión de velocidad en cada quemador (∆P, mm c.a.)

A B NIVEL E-1 E-2 E-3 E-4 Promedio

D 50.4 43.0 42.8 50.6 46.7 C 39.0 44.9 46.0 46.0 43.98 B 39.8 43.5 35.4 47.2 41.48 A 36.0 38.0 37.5 50.0 40.38

PROMEDIO

41.3 42.35 40.42 48.45 43.13

Para determinar el flujo de aire en cada quemador (ton/hr), se tomó en cuenta la densidad del aire (ρ= 0.6137 kg/m3), la constante del cilindro pitot (k= 0.7611) y las diferenciales de presión medidas en cada quemador. Los valores obtenidos para estas mediciones se presentan en la siguiente tabla en ton/hr de flujo de aire: Tabla no.2.2.- Flujo de aire en cada quemador (ton/hr).

A B NIVEL E-1 E-2 E-3 E-4 Promedio

D 76.35 70.52 70.36 76.50 73.43 C 67.16 72.06 72.94 72.94 71.28 B 67.85 70.93 63.98 73.88 69.16 A 64.52 66.29 65.86 76.04 68.18

PROMEDIO

68.97 69.95 68.28 74.84 70.51


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Para determinar las relaciones aire/combustible iniciales, se tomó en cuenta la caracterización de las fichas de atomización y su ubicación de acuerdo a los diferentes niveles de quemadores, tomando en cuenta el flujo de combustible promedio para cada nivel, como se presenta en la siguiente tabla: Tabla no.2.3.- Promedio de relación aire/combustible por nivel de

quemadores (inicial).

NIVEL Wa (kg/hr) Wc (kg/hr) Wa/Wc (kg A/kg C) D 73430 4693.1 15.65 C 71280 4794.7 14.87 B 69160 4885.3 14.16 A 68180 4963.3 13.74

PROMEDIO 70513 4834.25 14.58 De acuerdo con el análisis del combustible empleado, la relación A/C óptima para 1.0% de O2 es de 14.61 kg A/kg C, mientras que la estequiométrica es de 13.77 kg A/kg C, de acuerdo a los cálculos que se presentan en el anexo “A”. Bajo las condiciones encontradas, se observa que los niveles “A y B” se encontraban operando por abajo de la relación A/C óptima, y en el nivel “A” la relación A/C era menor que la estequiométrica, es decir el generador de vapor se encontraba operando con una combustión por etapas, presentando condiciones ricas en combustible en los niveles inferiores. Para esta condición de operación (arreglo “A”), se tuvieron concentraciones de 689 mg/m3 N de PST y de 350 ppm de NOX. Para mejorar las distribuciones de los flujos de aire/combustible se plantearon dos alternativas: una consistía en realizar un ajuste en las compuertas a la entrada de cada quemador y la otra en realizar ajustes en la ubicación de las fichas de atomización. Debido a que el diseño de estos quemadores no permite un ajuste gradual e individual de las compuertas, como en el caso de un balance realizado en la unidad 3 de la C.T. Altamira en 1986 con el quemador IIE FPI(10), se decidió balancear las distribuciones de flujos de A/C reubicando las fichas de atomización de acuerdo a los flujos de combustible y de aire, por niveles de 4 quemadores. Después de la reubicación de las fichas de atomización (arreglo “B” de quemadores) se obtuvieron las relaciones A/C que se presentan en la siguiente tabla:


41


Tabla no. 2.4.- Promedio de relación aire/combustible por nivel de quemadores (final).

NIVEL Wa (kg/hr) Wc (kg/hr) Wa/Wc (kg A/kg C) D 73430 4963.9 14.79 C 71280 4885.3 14.59 B 69160 4794.7 14.42 A 68180 4693.1 14.53

PROMEDIO 70513 4834.25 14.58 Con este arreglo se obtuvieron concentraciones de 498 mg/m3 N de PST y 422 ppm de NOX, como resultado de una mejor distribución de las relaciones A/C para los cuatro niveles de quemadores. El cambio se manifestó directamente en una reducción del 27% en las PST, pero con un incremento en los NOX del 21%. En estas dos condiciones de operación se puso de manifiesto el concepto de la combustión sub-estequiométrica, conocida también como combustión por etapas o combustión secundaria en un generador de vapor. Inicialmente en el arreglo “A”, los niveles inferiores “A y B” estaban operando con mezclas ricas en combustible, lo que provocaba que se tuvieran bajas concentraciones de O2 y disminuyera la temperatura de flama, parámetros importantes en la producción de los NOX, pero que afectaban la producción de las PST a pesar de que los niveles superiores estaban operando con mayor exceso de aire. Cuando existe combustión por etapas, el poco O2 disponible en la mezcla rica en combustible de las etapas iniciales, oxida primero los elementos más reactivos del combustible como son hidrógeno, carbono y azufre, inhibiendo así la oxidación completa del nitrógeno (N2) del combustible y por lo tanto impidiendo la formación del NOX-químico, al mismo tiempo, se limita la producción de NOX-térmico (oxidación del nitrógeno del aire) al presentarse bajas temperaturas de flama debido a la subestequiometría de la reacción en esas etapas. En otra de las pruebas realizadas se invirtieron las entradas del vapor de atomización y combustible (arreglo “C”) en el quemador, bajo estas condiciones se obtuvieron concentraciones de 345 mg/m3 N de PST y 411 ppm de NOX. Si se realiza una comparación con respecto a las condiciones iniciales (arreglo “A”), esta condición representó una reducción del 50% en las PST, pero con un incremento ≈ 17% de los NOX, lo cual puede observarse en la siguiente tabla y en la figura no.2.12.


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Tabla no.2.5.- Concentración de emisiones de PST y NOX de acuerdo al arreglo de quemadores. ARREGLO DE

QUEMADORES PST (mg/m3 N) NOX (ppm) CONDICIONES

A 689 350 O2=1.0%, Tva= 190ºC B 498 422 ∆Pv-c= 2.0 bars C 345 411 Tc= 125-140 ºC D 348 381 O2=1.12%, Tva= 225ºC

Figura no.2.12.- Concentración de PST y NOX con respecto al arreglo de quemadores.


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Pruebas de comportamiento operativo posteriores al balance de flujos de aire/combustible. El objetivo de estas pruebas es la reducción de las emisiones (principalmente las PST y los NOX) a niveles de normatividad, modificando los principales parámetros operativos del sistema de combustión. Partiendo del arreglo de quemadores “B”, se realizaron pruebas con variación de la temperatura del combustible y del vapor de atomización. En cada una de las pruebas se realizaron mediciones de la concentración de O2, PST y NOX en gases de combustión. En la prueba de variación de la temperatura del vapor de atomización se obtuvo un efecto mas relevante. Al emplear vapor sobrecalentado (225 ºC, 9 bars, arreglo “D”) como medio atomizante, se obtuvo una concentración de PST de 348 mg/m3 N, lo cual equivale a una reducción del 30% y de 381 ppm en NOX, es decir, 10% de reducción con respecto a la condición con vapor saturado (180 ºC, 9 bars). En esta condición se logró ubicar estas emisiones dentro de los límites establecidos por las normas de control ambiental, como puede observarse en la tabla no.2.5 y en la figura no.2.13.

Figura no.2.13.- Prueba de variación de la temperatura de vapor de atomización.


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2.2.3 Conclusiones. • Actualmente es importante mencionar que la mayoría de los diseños de

generadores de vapor en centrales termoeléctricas de la C.F.E. fueron diseñados para quemar un tipo de combustible especificado de diseño, muy diferente al que se quema actualmente, por lo que es de esperarse que el flujo de calor liberado por cada quemador individualmente o en conjunto, por unidad de volumen o área superficial se ha modificado, por lo que en algunos casos pueden presentarse problemas de mala combustión por haberse modificado el tiempo de residencia requerido para quemar el combustible, las condiciones requeridas para alcanzar o controlar la temperatura del vapor y en otros casos perdida de estabilidad del tipo de flama generada. Por lo que es necesario evaluar las condiciones originales para ver la posibilidad de encontrar las condiciones requeridas de ajuste en las condiciones operativas o si son requeridas modificaciones de diseño en la parte aerodinámica del quemador (difusor, quarl o registro de aire) y en la ficha de atomización.

• Debido a que generalmente cada diseño presenta características de control del

flujo de aire propias, sin control de la relación aire/combustible, es importante incorporar alguna metodología directa o diseñar algún mecanismo que permita balancear el flujo de aire y tener mejores condiciones controladas de la relación aire/combustible, y por lo tanto un mejor control del proceso de combustión.

• Uno de los problemas que potencialmente puede presentarse con la existencia

de desbalances en el flujo de aire, es la modificación de los patrones de flujos térmicos dentro del hogar, con probable efecto en el control de las temperaturas de vapor recalentado y sobrecalentado.

• Debido a que se considera que en un generador de vapor, cada quemador se

comporta como un sistema de combustión individual, con sus propios requerimientos de aire y combustible, es importante conocer y manejar estas cantidades en cada quemador para poder tener un mejor control de la combustión.

• El concepto de balance de los flujos de aire/combustible debe ser integrado

dentro de la metodología de afinación de un generador de vapor debido a que se mejora el control del proceso de combustión y se puede tener una respuesta más confiable a la variación de los parámetros operativos durante el desarrollo de las pruebas, con la obtención de mejores resultados en las mejoras de la eficiencia, en la reducción de emisiones contaminantes y en menores consumos de combustible.

• El balance de aire/combustible en un generador de vapor puede ser aplicado

para manejar el concepto de combustión por etapas como método de control de los NOX bajo la técnica del “quemado descentralizado”. Esta técnica se basa en


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la variación de los flujos de aire y combustible a los quemadores para formar zonas sub-estequiométricas (ricas en combustible y ricas en aire), con efectos similares a los obtenidos con las compuertas “OFA” o quemadores fuera de servicio sobre la producción de los NOX. Para implementar esta técnica no existe un patrón o modelo establecido, aunque se recomienda que los niveles inferiores de quemadores sean los que operen con un ambiente rico en combustible, por lo que la mejor combinación debe ser encontrada evaluando varios patrones.

Para llevar a cabo un mejor control durante la implementación de esta técnica, sería recomendable tener un control del flujo de aire en quemadores individualmente.

En los resultados obtenidos en el balance de flujos de aire/combustible realizado en la unidad 3 de la C.T. Pdte. Adolfo López Mateos, se obtuvieron las siguientes conclusiones: • Con la medición de flujo de aire y la caracterización de las fichas de

atomización fue posible establecer el balance de aire/combustible (A/C) en los cuatro niveles de quemadores, como se presenta en la tabla no.2.4. Los valores de la relación A/C obtenidos se encuentran muy cercanos (14.79, 14.59, 14.42 y 14.52 kg A/kg C) al teórico (14.61 kg A/kg C) para 1.0% de exceso de O2 y el tipo de combustible empleado, lo cual propició que se obtuviera una reducción del 27% en la concentración de PST, pero con un incremento del 21% en los NOX. Bajo estas condiciones las PST se redujeron a valores establecidos por la norma de control ambiental, sin embargo los NOX se encontraban ligeramente arriba de su límite.

• Mediante la variación de parámetros de operación, se logró una condición (con

vapor sobrecalentado a 225 ºC y 9 bars) en la cual tanto las PST como los NOX, se ubicaron dentro de los límites establecidos por las normas de control ambiental.

• Además de los beneficios obtenidos en la reducción de emisiones, se obtuvo un

incremento en la eficiencia térmica del generador de vapor del 0.4% y una reducción en el consumo de combustible de aproximadamente 338 kg/hr, aunque estos valores deberán corroborarse en forma anualizada para mayor seguridad. Estos resultados fueron evaluados al término de un período de operación de un año, confirmándose los beneficios obtenidos.


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ANEXO “A”


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CALCULO DE LA RELACION AIRE/COMBUSTIBLE EN EL QUEMADOR. Análisis del combustible empleado. C = 84.57 % H = 10.58 % O = 0.28 % N = 0.32 % S = 3.94 % P.C.S. = 10, 101 kcal/kg (Poder calorífico) ρ = 0.9974 kg/m3 Empleando la ecuación para calcular el flujo de gases secos, se puede calcular la relación aire/combustible empleada, asumiendo que el flujo de aire es similar al flujo de combustible por lo que se tiene: Suponiendo que el flujo de aire es igual al flujo de gases,

( )

WA WG 4 4 700 O2CO2

C12

S32

CO2

C12 20.9 O2

C12

S32 0.79 H

4O32 0.21 N

28

= = ++

+

=−

+ + − +

Sustituyendo valores se tiene que: CO O2 1591 07614 2= −. . Para obtener la relación A/C óptima se tiene O2= 1.0%, por lo tanto:


48


( )CO

WA WG

WAkgA okgcomb

2 1591 07614 10 1515%

4 4 700 11515

0845712

0039432

14 418

= − =

= = + + +

=

. . . .

.. .

. sec.

La humedad del aire era de 0.013 kg H2O/kg aire seco, por lo que:

WAkgA humedo

kgComb= 1461. . Relación A/C óptima.

Para calcular la relación A/C estequiométrica, se considera el O2= 0%, por lo cual: CO

WAkgA okgComb

2 1591%

1377

=

=

.

. sec.

Relación estequiométrica.

CALCULO DEL FLUJO DE AIRE EN QUEMADORES. Para calcular el flujo de aire en cada quemador se emplean las siguientes ecuaciones:

V k cg P= 443 2. ∆

ρ (1)

ω ρ= V A (2)

ρ = M PR T (3)


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Datos iniciales conocidos: k = 0.7611 (Constante del cilindro pitot). gC = 9.81 kg m/s2 · kgf ∆P = Diferencial de presión en cada quemador (mm c.a. ó kgf/m2). ∅ = 1.2 m (Diámetro del ducto de aire). T = 298 ° C (Temperatura del aire). R = 8314 J/°K Kg-mol (constante de los gases). P = 101,300 J/m3 (presión absoluta. M = 28.76 Kg-mol. (Peso molecular del aire). La densidad del aire se calcula empleando la ecuación (3), por lo que se tiene que:

( )( ) ( )ρ =

−

−=

2876 101300 3

8314 57106137 3

. / , /

/ º. /

kg kg mol J m

J kg mol Kkg m ,

Con la densidad del aire calculada, la constante del pitot y la diferencial de presión medida en cada quemador se puede calcular el flujo de aire, como a continuación se presenta: Para el quemador de la esquina 1 del nivel ¨D¨, sustituyendo valores en las ecuaciones (1) y (2), se tiene que:

( )Vx kg m s kgf x mmc a

kg mm s=

−=

076112 981 2 504

06137 3 3055.. / • . .

. /. /

por lo tanto,

( )ω = =

06137 3 3055 11310 2 212046 7633. / . / . . / .kg m m s m kg s ton hr= / ,

flujo de aire por este quemador. Esta misma secuencia de cálculo se empleó para el flujo de aire por cada quemador, que se presentan en la tabla no.2.2 . 2.2.4 REFERENCIAS.


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1) Thomson et al. (1988).”Residual Fuel Oil User´s Guidebook”. Volume 2:

Residual Oil-Fired Boilers. AP-5826 EPRI. 2) Conti V.A. et al. (1995).” Reduction of NOX emissions on oil firing al

Bowline Point Unit No.2”. Ec-Vol.3/FACT-Vol.20. Joint Power Generation Conference. Vol.1-ASME.

3 http://www.software.aeat.com 4 S. V. Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation, 1980 5 H. K. Versteeg, W. Malalasekera. An introduction to computational Fluid Dynamics, Longman Group Ltd. 1995 6) ¨Accurately Measures Coal and Air Flow Rates to Balance Burners¨, (1995) EPRI, RP 1681, TCODE T2201. 7) ¨Power Plant Performance Monitoring and Improvement¨, (1986) CS/EL-4415, Vol. 1-3. 8) Stephen C.Wood (1994). ¨Select the Right NOx Control Technology¨, Chemical Engineering Progress, pg.32-38. 9) George E. Mizell (1994). ¨NOx Control Through Boiler Optimization¨, Power Engineering, pg.29-31. 10) Ramón Bolado E. y Jaime Mora J. “Evaluación de la problemática del sistema de combustión de las unidades 3 y 4 de la C.T. Altamira de la Comisión Federal de Eléctricidad”, (1986) IIE/12/2082/I 02/F. 11) Gerald Gilbert, (1987).“Three ways to measure flow in power plant ducts”, Power, Pg. 63-72. 12) “Residual Fuel Oil User´s”, (1988). EPRI, Volume 2 Project 2106-2, Final Report. 13) Robert L. Mott, (1996). “Mecánica de fluidos aplicada”, Prentice Hall, 4a. Ed., pg. 375-376. 14) John W. Dolenc, (1996). “Chosse the right flow meter”, Chemical Engineering Progress, Pg. 22-32. 15) Espinoza J. et al., (1992). “Estudio de la contaminación ambiental en centrales termoeléctricas de la Comisión Federal de Electricidad”, módulo 4.1.2, informe interno IIE/15/3266/I 05/F. 16) Bill L. Smith (1996). “Inexpensive solutions can beat the NOX emissions rap”, Burns & McDonnell Engineering Co., Power Enginering, November 1996, p 82-87.


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aerodinamica de quemadores y flujo de aire en generadores de vapor

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