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Mejora el rendimiento de los calentadores a fuego directo

Introducción

Los usuarios de los calentadores a fuego directo esperan obtener una mayor eficiencia y una reducción de las emisiones, pero a menudo se decepcionan. Debido al gran número de calentadores a fuego directo que están en funcionamiento cada día y su importancia en las industrias de procesos, cualquier mejora global que se consiga tendrá un impacto enorme. Con algunos sencillos cambios en las prácticas de trabajo y las actualizaciones tecnológicas, más unidades pueden alcanzar todo su potencial.

Los calentadores a fuego directo se utilizan en varias industrias. Es probable que se disponga de uno en cualquier proceso de fabricación en el que sea necesario emplear calor. Por tanto, los calentadores a fuego directo son el mayor consumidor de energía a nivel industrial. Las refinerías cuentan con miles de calentadores a fuego directo y estos tienden a ser particularmente grandes. Debido a esto, las mejoras en el rendimiento son una forma de sacar partido a las inversiones en este contexto.

Hay tres áreas que suelen dominar el debate en torno al diseño y el funcionamiento de los calentadores a fuego directo:

  1. Prácticas de funcionamiento y seguridad. Los calentadores a fuego directo pueden resultar peligrosos si no se utilizan de forma correcta o si no se implementan los sistemas de seguridad apropiados.
  2. Eficiencia. Debe minimizarse la cantidad de combustible necesario para calentar cierto volumen de fluido de proceso.
  3. Emisiones. Una unidad con un buen funcionamiento minimiza el volumen y la naturaleza de los efluentes.

En este artículo indagaremos en cómo afecta cada área al rendimiento de los calentadores a fuego directo.

 

Prácticas de funcionamiento y seguridad

El funcionamiento seguro de un calentador a fuego o un generador de vapor depende de la consciencia y la formación del personal que opere el equipo, así como de que utilicen sistemas de seguridad actualizados. Durante los últimos años, las instituciones normativas han renovado sus recomendaciones prácticas para añadir instrucciones de trabajo y requisitos de instrumentación más rigurosos. Garantizar la implementación y el seguimiento de estas recomendaciones es de especial importancia, puesto que una nueva oleada de trabajadores menos experimentados está llegando a muchas plantas. Las compañías no pueden depender de la experiencia de su personal para compensar la existencia de mecanismos inadecuados.

Los usuarios deben garantizar que sus instalaciones cumplen las normas más recientes de la NFPA, incluidas las normas 85, 86 y 87, pero existen también otras normativas que pueden ser de aplicación, como la FM 7605, la API-556, la OSHA 1910.110 PHA y la ISA-TR84.00.05. Dependiendo de la aplicación individual y la ubicación geográfica, pueden existir requisitos adicionales específicos de la industria o locales, por lo que es importante consultar con el experto apropiado para garantizar que no se pase por alto ninguno de ellos.

La mayoría de equipos a combustión contará con un sistema de desconexión de emergencia, conocido a menudo como sistema de gestión del quemador (BMS, por sus siglas en inglés), para regular gran parte de los procedimientos de puesta en marcha, desconexión y seguridad. El sistema de control de combustión conecta con el sistema de control del proceso básico (BPCS) más amplio para gestionar el consumo térmico y el flujo de productos durante el funcionamiento. Ambos sistemas se transfieren operaciones entre sí en función de las necesidades del proceso.

 

Eficiencia y emisiones

Estas dos áreas deben tratarse en conjunto, puesto que dependen la una de la otra. Aunque hay más elementos que ejercen una influencia secundaria en cuestiones de eficiencia, como la existencia de una capa de hollín en los tubos, la gestión de la combustión es lo que más determina de forma directa tanto la eficiencia como las emisiones.

Aunque existen innumerables variaciones en el diseño de los calentadores a fuego directo, la configuración más habitual es un recinto cilíndrico o en forma de caja revestido con bobinas de tuberías que transportan los fluidos de proceso (Figura 1). Los quemadores de la parte inferior emplean petróleo o gas natural, y el aire de la ventilación natural favorece la combustión. El calor atraviesa el recinto, se transfiere a los tubos y al fluido interno y, finalmente, sale del tiro. La mayoría de los sistemas comienzan a fallar en la obtención de una mezcla óptima de aire y combustible.

Figura 1. Aunque los diseños específicos pueden tomar muchas formas diferentes, el diseño básico de un calentador a fuego directo emplea quemadores para calentar el fluido que circula por los tubos. En el interior de la unidad existen varias condiciones de combustión en los distintos niveles.

La combustión más limpia y eficiente se produce cuando la cantidad de aire y combustible alcanza proporciones estequiométricas idóneas. Lo ideal para una unidad que funcione con gas natural es que una molécula de metano y dos de oxígeno reaccionen para formar una molécula de dióxido de carbono y dos de agua.

Desafortunadamente, este no siempre es el caso. Sin un control adecuado, la mezcla puede ser demasiado rica en combustible. En casos extremos, puede que el combustible no quemado simplemente se expulse fuera del tiro. Por lo general, el efecto es más sutil y el oxígeno insuficiente causa una combustión incompleta. Esto puede ocasionar que el monóxido de carbono y el hidrógeno vayan a parar a la atmósfera o, peor aún, que se mezclen con aire residual fuera de la cámara de combustión y se quemen en algún lugar no deseable. En cualquiera de los casos, se desperdicia combustible y aumentan las emisiones.

La mayoría de usuarios utiliza los calentadores a fuego directo con una mezcla pobre en combustible, lo que hace que exista un exceso de aire. Por lo general, esto garantiza una combustión completa, pero también tiene efectos secundarios no deseados. El exceso de aire no solo ocasiona una pérdida de la eficiencia, sino que también promueve la formación de compuestos de NOx. En situaciones graves, demasiado aire puede originar una interrupción de la combustión. Los quemadores de bajo NOx escalonan la combustión esparciendo la mezcla de combustible y aire, pero esto tiende a reducir la temperatura máxima y la eficiencia de la llama.

 

Control de la combustión

Controlar la cantidad de combustible no resulta problemático, pero, dado que la gran mayoría de las unidades emplea ventilación natural en vez de aire forzado, controlar la cantidad de aire supone un desafío mayor. En muchos diseños, se supone que la función se autorregula en gran medida, dependiendo de la flotabilidad creada por el propio fuego para extraer una cantidad adecuada de aire a través de la cámara de combustión. El uso de un regulador del tiro junto con registros de aire puede resultar de utilidad para permitir cierto grado de ajuste. No obstante, sin instrumentos capaces de determinar la mezcla real, estos ajustes se quedan principalmente en conjeturas.

La situación ideal sería que el calentador a fuego contara con instrumentos capaces de funcionar con el sistema de control de combustión para supervisar el gas de combustión, de forma que el controlador pudiera optimizar el flujo de aire para ajustarse a la tasa de combustible. Desafortunadamente, la mayoría de calentadores a fuego directo sufren una falta de instrumentación adecuada, y el sistema de control de combustión es demasiado rudimentario para realizar dicho cálculo. Por añadidura, es probable que no exista ningún mecanismo capaz de controlar el flujo de aire con cierto grado de precisión.

Muchas instalaciones contarán con algún tipo de sensor de O2. Suele tratarse de una sonda de óxido de circonio montada en el tiro. El sensor debe calentarse a 500 °C (932 °F) para funcionar. La sonda proporciona una lectura al azar, que al menos es capaz de advertir de desequilibrios graves. Sin embargo, esta tecnología puede equivocarse en entornos ricos en combustible, porque los altos niveles de hidrógeno y monóxido de carbono pueden enmascarar la verdadera concentración de oxígeno.

 

Una mejor instrumentación mejora el funcionamiento

El lugar más eficaz para medir el rendimiento de la combustión es la zona radiante. No obstante, estas temperaturas son demasiado elevadas para la mayoría de las tecnologías. En este punto de la unidad, la combustión debe haberse completado independientemente de su carga, pero las temperaturas pueden llegar a alcanzar 1200 °C (2192 °F). Sin embargo, aún es posible obtener una imagen precisa con un espectrómetro láser de diodo ajustable (TDLS). Este enfoque envía un haz a través de la zona radiante de la unidad (Figura 2).

La combustión debe producirse en la zona radiante de un calentador a fuego

Figura 2. La combustión debe completarse en la zona radiante de un calentador a fuego. Es posible obtener una imagen precisa del proceso basándose en la composición del gas de combustión.

Este instrumento puede configurarse para medir oxígeno, monóxido de carbono, metano y otros gases específicos. En la mayoría de casos se utilizan dos unidades que, de forma conjunta, ofrecen una imagen completa de la combustión. El sensor de oxígeno detecta las condiciones de mezcla pobre en combustible, mientras que el sensor de metano y monóxido de carbono detecta las condiciones de mezcla rica en combustible. Además, cuando los instrumentos se montan en una disposición de tiro cruzado, ambos sensores realizan lecturas a todo lo ancho, por lo que la distribución desigual del gas se puede promediar fuera del cálculo.

Los espectrómetros láser de diodo ajustable no establecen contacto ni tienen piezas móviles, por lo que son duraderos y fiables. Muchas instalaciones que datan de hace 15 años continúan funcionando sin incidentes. Ninguna de las mediciones se ve afectada tampoco por la presencia de otros gases, por lo que no habrá condiciones extrañas en el proceso que enmascaren la medición esencial.

 

Control del proceso

Como se ha mencionado anteriormente, los calentadores a fuego directo se regulan mediante dos sistemas: el de gestión del quemador y el de control de combustión (Figura 3). El BMS lleva a cabo funciones de seguridad y está activo en todo momento. Incluso si una unidad lleva varios días funcionando sin incidentes, vigila que no se produzcan interrupciones de la combustión, pérdida de presión del combustible, etc.

Resumen de los componentes de un sistema de seguridad de gestión de un quemador

  • HIS
  • ENG
  • Vnet/IP
  • DCS
  • Sistemas instrumentados de seguridad
  • Control
  • Desconexión de emergencia
  • Espectrómetro láser de diodo ajustable

 

Figura 3. Contar con los datos del TDLS permite optimizar la combustión con un control en bucle cerrado y minimizar el uso de combustible y las emisiones.

El sistema de control de combustión responde a las necesidades del proceso regulando el flujo de combustible para satisfacer el calentamiento requerido por el sistema de control del proceso básico. El sistema de tecnología de espectrómetro láser de diodo ajustable proporciona información crítica a ambos sistemas.

El BPCS permite analizar datos de los instrumentos TDLS y usarlos para cerrar el bucle de flujo de aire y combustible. Cuando el proceso requiere una temperatura y un flujo específicos para el fluido de proceso, puede ajustar el flujo de combustible para alcanzar ese punto. Los datos de los instrumentos TDLS son capaces de verificar el flujo de aire para obtener una combustión completa y eficiente.

Con los espectrómetros láser de diodo ajustable, el grado de precisión de control generalmente está limitado por el mecanismo de control del flujo de aire. Los datos de los instrumentos TDLS son precisos, pero, a menudo, los mecanismos de control del flujo de aire en un diseño con ventilación natural pueden limitarse a controles manuales, como un regulador del tiro o registros de aire. La posibilidad de mejorar la eficiencia y reducir emisiones puede ser enorme cuando se dispone de una imagen precisa del proceso de combustión a través de mediciones de espectrómetros láser de diodo ajustable correctamente utilizados.