Combustion Industrial de Gas Natural

Combustión Industrial de

GAS NATURAL Ing. PERCY CASTILLO NEIRA

LIBRO DE GAS NATURAL

Ing. Percy Castillo Neira

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COMBUSTIÓN INDUSTRIAL DE GAS NATURAL

PRESENTACIÓN

El mundo se ha desarrollado en base a la energía química

almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles y

actualmente depende de su disponibilidad, comercialización y

empleo. El Carbón mineral impulso la revolución industrial y

suministró la energía que cambió el mundo en el Siglo XIX; en el

Siglo XX, el petróleo se convirtió en el oro negro que dominó la

civilización y determinó el ritmo de la economía del planeta.

El desarrollo de la tecnología y la evolución de los precios del

petróleo han permitido la explotación, transporte y distribución

del Gas Natural con todas sus ventajas y posibilidades técnicas,

económicas y ecológicas, convirtiéndolo en el combustible del

Siglo XXI.

En este libro se proporciona la base teórica fundamental para

conocer, entender y dominar la tecnología de utilización del gas

natural como combustible económico, eficiente y ecológico, con

el criterio técnico simple, claro y preciso que conviene a los

usuarios, prescindiendo de intereses comerciales.

Aunque esta nueva concepción de la tecnología se basa en

investigación científica, aplicación académica y experiencia de

planta, tales factores han sido utilizados para simplificarla y

ponerla al alcance y comprensión de todos los ingenieros y

técnicos de plantas industriales.

INDICE En un mundo totalmente dependiente de los combustibles

fósiles, el Gas Natural es un “maná del cielo” para los países que

tienen la suerte de encontrarlo en su territorio y logran

aprovecharlo para ipulsar su desarrollo ntegral.



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Capítulo I Teoría Inorgánica de la Combustión

1.1. Materia y Energía 1.2. Combustión orgánica y combustión inorgánica 1.3. Combustibles industriales y su relación Carbono/Hidrógeno 1.4. Calor de disociación y poder calorífico de los combustibles. 1.5. La partícula de carbón como núcleo básico de la combustión industrial

Capítulo II La Combustión como Reacción Química

2.1. Mecanismo general de las reacciones de combustión 2.2. Esquema básico de la combustión industrial 2.3. Tipos de combustión 2.4. La combustión heterogénea 2.5. El reactor de combustión

Capítulo III La Combustión como Proceso Fisicoquímico

3.1 La llama como manifestación visible de la combustión 3.2 Definición de las características de las partículas de carbón en la llama 3.3 Gasodinámica de la combustión y control sobre la formación de llama 3.4 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación 3.5 Gases de combustión y transferencia de calor por convección

Capítulo IV El Aire de Combustión

4.1 Aire, combustibles y combustión 4.2 El aire como comburente universal 4.3 Mecánica de fluidos aplicada a la combustión industrial 4.4 Combustión en altura y enriquecimiento del aire 4.5 Precalentamiento del aire de combustión

Capítulo V Caracterización del Gas Natural como Combustible

5.1 Origen y tratamiento del Gas Natural 5.2 Caracterización de gases combustibles 5.3 Características de combustión y llamas de gas natural 5.4 Combustión del Gas Natural 5.5 Análisis Comparativo del Gas Natural con otros combustibles.



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Capítulo VI Estaciones de Recepción en Plantas Industriales

6.1 Ubicación, características y Normas de instalación 6.2 Diseño y Montaje 6.3. Operación de Limpieza 6.4 Regulación de Presión 6.5 Sistemas de Medición de Flujos

Capítulo VII Circuito Interno de Distribución

7.1 Red Interior de Tuberías 7.2 Características de tuberías 7.3 Diámetro de tuberías

7.4 Estaciones de Regulación Secundaria

7.5 Comprobación, ensayos y puesta en servicio de la Instalación.

Capítulo VIII Gas Natural en Calderos Industriales

8.1 Calderos Industriales: Generalidades 8.2 Uso del Gas natural en Calderos de Vapor 8.3 Equipos para calderos industriales 8.4 Conversión de Calderos Pirotubulares al Uso del Gas Natural 8.5 Conversión de Calderos Acuotubulares al uso del Gas Natural

Capítulo IX Aplicación del Gas Natural en Procesos de Secado

9.1 Generalidades del Secado 9.2 Generación de gases calientes con gas natural 9.3 Aplicaciones industriales del gas natural en secado directo 9.4 Aplicaciones del gas natural en secado indirecto 9.5 Aplicaciones del gas natural en Procesos de Calentamiento



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Capítulo X Gas Natural en Hornos de Cal y Cemento

10.1 Calcinación y Clinkerización 10.2 El Gas Natural en Hornos De Cal 10.3 El Gas Natural en el Horno Cementero 10.4 El Gas Natural en Precalcinadores 10.5 Quemadores mixtos sin Aire Primario

Capítulo XI Gas Natural en Siderurgia

11.1 Reducción directa del mineral 11.2 Altos hornos 11.3 Hornos de Arco eléctrico 11.4 Calentamiento de cucharas 11.5 Hornos de calentamiento de palanquillas

Capítulo XII Gas Natural en Metalurgia

12.1 Hornos de fusión 12.2 Hornos de recalentamiento 12.3 Hornos de tratamientos térmicos

12.4 Gas natural en la metalurgia de metales no férricos 12.5 Gas Natural para atmósferas controladas

Capítulo XIII Gas Natural en la Industria del Vidrio y Cerámica

13.1 Aplicación del Gas Natural en Hornos de Balsa 13.2 Aplicación del Gas Natural en Hornos de Crisol 13.3 Usos del Gas Natural en Operaciones Conexas a los Hornos de Vidrio 13.4 Gas Natural en el secado de la industria cerámica 13.5 Gas Natural en la Climatización de Ambientes Industriales



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Capítulo 14 El Uso del Gas Natural en Motores Endotérmicos

14.1 Máquinas térmicas y Motores Endotérmicos 14.2 Gas Natural en Automotores: Ciclos Otto y Diesel 14.3 Gas Natural en Turbinas de Gas : Ciclo Brayton 14.4 Análisis Termodinámico de la Conversión de Motores Endotérmicos al Gas

Natural 14.5 Cogeneración con Gas Natural

Capítulo 15 Sistemas Alternativos al suministro por Gasoductos

15.1 Análisis de la confiabilidad del suministro de Gas Natural por Gasoductos 15.2 Gasoducto Virtual por GNC 15.3 Gasoducto Virtual por GNL 15.4 Análisis comparativo de Gasoductos Virtuales 15.5 Sistemas de Gas Natural Alternativo para Emergencias (Back Up)

ANEXOS Anexo 1 : Tabla de Conversión Anexo 2 : Glosario



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Capítulo I

TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN

1.1 Un descubrimiento extraordinario

Para quienes trabajamos en proyectos de optimización energética de procesos industriales,

el primer principio termodinámico que establece que la materia y energía no se crean ni se destruyen, nos proporciona como herramienta fundamental la elaboración de balances de

materia y energía.

Al comprobar que existía una diferencia de 21.500 Kcal/Kmol entre el poder calorífico del

metano calculado estequiométricamente y el determinado en bomba calorimétrica,

conscientes de que la materia y energía no se crean ni se destruyen, nos propusimos

encontrarlas (Figura 1.1).

Al encontrar en el Manual del Ingeniero Químico de Perry que la energía de disociación del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar la misma coincidencia en cualquier otro

hidrocarburo, descubrimos el hecho extraordinario de que todos los combustibles, mezclas

carbono/hidrógeno con contenidos variables de impurezas, se disocian en sus componentes antes de quemarse, lo que significa que la combustión siempre se producirá

en forma elemental y básica, a través de las reacciones :

C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O

Todos los combustibles industriales, sin excepción, siempre se quemarán en la misma forma, no interesando para fines prácticos las múltiples posibilidades de reacciones

intermedias, lo cual simplifica totalmente la concepción, análisis, evaluación y control de

la combustión.



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La Química Orgánica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono,

aprovechando la extraordinaria capacidad de combinación que le permite su tetravalencia;

al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la combustión se producirá por oxidación del Hidrógeno y el Carbono, en el campo

inorgánico, resultando el nombre más adecuado para esta formidable simplificación

tecnológica: ―Teoría Inorgánica de la Combustión‖ pudiendo ser enunciada en la siguiente forma:.

―Todos los combustibles industriales son combinaciones

carbono/hidrógeno y se disocian en sus componentes

antes de quemarse, produciéndose la combustión

siempre en forma básica y elemental: C + O2 = CO

2 y

2H2 + O

2 = 2H

2O”

Figura 1.1

1.2 La partícula de carbón elemental como núcleo básico de la combustión

industrial

Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrógeno, con contenidos

variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre se disocian y reaccionan en forma elemental, siempre existirá una proporción de carbón



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que reaccione como sólido. La excepción podría ser el propio Hidrógeno, pero no constituye un combustible industrial.

Para sustentar esta hipótesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 °C respectivamente, temperaturas que

no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producirá la combustión

de las partículas de carbón en forma heterogénea.

La reacción sólido-gas, típica de la combustión de la partícula de carbón, se efectúa por

difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde

completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas.

Figura 1.2

LA PARTÍCULA

DE CARBONO,

VERDADERO

NUCLEO DE LA

COMBUSTIÓN

La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original,

influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilización de la partícula sólida cuando se trata de carbón mineral, el craqueo y gasificación de gotas en el caso

de combustibles líquidos, y el craqueo de gases combustibles.

El hidrógeno reacciona en forma homogénea (gas-gas) en una combustión instantánea,

aportando calor y vapor de agua. El carbón reacciona por difusión térmica y molecular en un proceso de combustión heterogénea.

En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del

hidrógeno por 2 razones fundamentales:

La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre

sensiblemente mayor.

El combustible más liviano es el metano (CH4) con una relación Carbono/Hidrógeno

igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso

del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%.

COMBUSTIÓN INORGÁNICA :COMBUSTIÓN INORGÁNICA :

REACCIÓN HETEROGÉNEAREACCIÓN HETEROGÉNEA



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La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios

segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagación de la

llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en

milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.

Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión

resultará determinada por estas últimas y solamente influencieada por la velocidad de

reacción del hidrógeno del hidrógeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta

casi exclusivamente dependiente de la combustión de la partícula de carbono (carbón).

El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido :

En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas(500 A°), su

combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el caso del Combustóleo, Petróleo residual o Fuel Oil, las partículas de carbón producto

del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable (10-100 micras), demorando

más su combustión, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamaño de partículas de carbón mineral se maneja y controla durante la molienda, en función de su contenido de

volátiles (10-100 micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas

siempre luminosas y emisivas (Figura 1.3).

Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3

combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del

carbón siempre en forma heterogénea.

Figura 1.3

El tamaño de la

partícula de

carbono se

determina en las

operaciones de

precombustión

1.3 El aire siempre resulta más importante que el combustible en la

combustión

Molienda

de Carbón

Ventilador

Combustión

de VolátilesCoque

(30 - 40

AtomizaciónCoque

(30 - 40Almacenamiento

de Combustóleo

Bomba Calentador

Hollín

(<1

Disociación

del MetanoHollín

(<1Regulación de

Gas Natural



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El control de la combustión y

formación de llama es un

problema de mecánica de fluidos

en el cual el aire constituye el flujo

dominante.

La tecnología de la combustión se define y maneja en 3 campos fundamentales de la Ingeniería. Cinética Química, Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor.

La cinética química determina la forma en que se desarrolla la combustión como

reacción química y la transferencia de calor establece las condiciones de

aprovechamiento del calor generado, pero la forma y características de la llama, el manejo y control sobre la combustión constituye fundamentalmente un problema de

mecánica de fluidos.

Al definir que todos los combustibles terminan quemando como partículas de carbono,

verdadero núcleo de la combustión, podemos establecer que las mismas se ponen a

disposición del aire como flujo dominante. El aire aporta la energía cinética para crear las condiciones de turbulencia y mezcla requeridas, mantener las partículas

quemándose en suspensión al interior de la llama y desplazar los gases de combustión

para mantener la disposición de oxígeno y mantener estables las condiciones del proceso.

El diseño del quemador debe establecer estas condiciones, dependiendo la capacidad de generación de calor de la capacidad del ventilador para aportar el aire de combustión y

la energía cinética requerida para desarrollar la combustión en la forma prevista para

cada caso. Siendo también el gas combustible un fluido, también podría funcionar como flujo dominante, pero al requerir la combustión como reacción química alrededor de

diez veces más volúmenes de aire que gas, tendría que manejarse a muy alta velocidad

el gas para aportar el impulso requerido; este es el caso de los quemadores supersónicos

de gas natural.

La condición de fuente inagotable de oxígeno y su permanente disponibilidad en cualquier condición de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave error

de minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnología de la combustión.

La mayor incidencia económica del combustible en el costo del aporte energético que

produce la combustión resulta un factor decisivo en este sentido. Al desarrollarse el

campo de la conservación de energía como respuesta a la crisis energética y la elevación



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de los precios del petróleo, se dedicó mayor atención a todos los aspectos vinculados a los combustibles, considerándolos componentes fundamentales de la combustión.

La teoría inorgánica de la combustión no solamente reivindica el aire como comburente. Al considerar que el átomo de carbono es el núcleo de la combustión y que su reacción

es siempre heterogénea, establece como factor dinámico el componente fluido y como

elemento estático la partícula sólida de carbón. Así, se puede afirmar que cuando se quema combustibles sólidos y líquidos, la combustión se controla mediante la

regulación del flujo de aire. En el caso del gas natural y otros combustibles gaseosos,

ambos fluidos pueden compartir tal preponderancia en lo referente a la formación de llama, pero en el desarrollo de la combustión, el aire siempre resultará preponderante.

1.4 APLICACIONES DE LA TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN.

1.4.1 En el campo científico

La dependencia mundial de los combustibles fósiles y la declinación de sus reservas mundiales plantea un enorme reto a la comunidad científica. Al restringir el universo de

la combustión al campo inorgánico y demostrar que siempre se realiza en forma

elemental y heterogénea, la Teoría Inorgánica de la Combustión facilita esta tarea y define con claridad la necesidad de algunos campos específicos de investigación pura y

aplicada. Podemos mencionar algunos temas de verdadero interés y presumible

importancia:



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Análisis de los factores que influencian la disociación térmica de compuestos orgánicos.

Formulación de aditivos para mejorar el comportamiento antidetonante (Indice

de Octano) o la velocidad de ignición (Indice de Cetano) de combustibles,

estabilizando la estructura molecular de los compuestos formados.

Investigación del efecto de procedimientos físicos (campos eléctricos, paramagnéticos, microondas,etc.) sobre el comportamiento antidetonante

(Indice de Octano) o la velocidad de ignición (Indice de Cetano) de

combustibles, estabilizando la estructura molecular de los compuestos formados.

Análisis de los factores que influencian la reactividad del coque que producen todos los combustible al disociarse antes de la combustión.

Evaluación de la capacidad de Transesterización de aceites vegetales y grasas

animales para producción de BioDiesel.

1.4.2 En el campo académico

El desarrollo de la tecnología de la combustión en el siglo XX ha resultado totalmente distorsionada por investigación científica y tecnológica alejada de la realidad y sometida

a intereses comerciales, produciendo un monstruo gigantesco y complejo inaplicable en

la enseñanza escolar y casi inexistente en la formación universitaria.

La combustión es el proceso fisicoquímico más importante del planeta y tiene que ver

con todas las formas de actividad humana, por lo cual debe incluirse en todas las etapas de formación académica

Desde la educación inicial y con una presentación adecuada, los conceptos de la Teoría Inorgánica de la Combustión permitirían introducir a los alumnos al conocimiento de

las leyes de la naturaleza y los principios que determinan el principio y el

mantenimiento del medio ambiente y de la vida.

La Teoría Inorgánica de la Combustión debe enseñarse en el nivel secundario,

constituyendo un conocimiento básico general indispensable.



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En la formación profesional, debe formar parte de un Curso General de Combustión obligatorio y Cursos Electivos sobre su aplicación en sectores especializados. La

importancia de este campo justifica la creación de la Ingeniería de la Combustión como

una profesión individual.

1.4.3 En la Actividad Industrial

La simplificación de la Tecnologia de la Combustión pone al alcance de todos los

ingenieros y técnicos de plantas industriales la posibilidad de conocer, entender y

dominar los procesos de combustión que manejan, permitiéndoles optimizar los procesos y operaciones unitarias vinculados con la utilización de esta fuente

energética.

En este campo, la Teoría Inorgánica de la Combustión ya no es una novedad;

durante los últimos diez años, hemos dictado decenas de cursos y dirigido cientos de proyectos de optimización de procesos de combustión en la mayoría de los

países latinoamericanos, en los cuales ya se ha difundido y aplicado.

En cada una de estas oportunidades hemos recibido valiosos aportes y confirmado

la plena validez de sus postulados, consiguiendo importantes resultados.

Trabajando en forma conjunta con el personal de plantas industriales hemos simplificado y mejorado el diseño de quemadores, implementado innovaciones

tecnológicas en procesos, eliminado operaciones innecesarias, etc. consiguiendo

siempre producciones más limpias, eficientes y económicas, atacando la raíz del

problema en lugar de administras sus consecuencias (Figura 1.5).

Figura 1.5

Modificación del diseño

del quemador en el

Horno de INC-Paraguay.



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Existe un mundo de posibilidades de optimización de la combustión en plantas

industriales, manejando adecuadamente el factor más importante: sus propios

recursos humanos.

1.4.4 En el campo tecnológico

La Teoría Inorgánica de la Combustión abre inmensas posibilidades de innovación

tecnológica en el diseño de quemadores, reactores, operaciones y procesos unitarios, representando grandes posibilidades de optimización de costos de inversión, operación

y mantenimiento.

Su aplicación en todos los sectores productivos representa una oportunidad de

investigación aplicada para conseguir mejores condiciones de competitividad,

sustituyendo tecnología innecesariamente complicada por el manejo práctico y efectivo que permite la concepción simple, clara y precisa de la combustión inorgánica.

Al demostrar que todos los combustibles se queman en la misma forma, permite considerar nuevas posibilidades de utilización de nuevos combustibles. Desarollando

tecnologías apropiadas para cada caso específico.

1.4.5 En el campo Ecológico

La ineficiencia de combustión y consecuente presencia de inquemados en medios urbanos y plantas industriales representa el factor contaminante más grave en los países

que no exigen el estricto cumplimiento de las normas de control ambiental.

La Teoría Inorgánica de la Combustión demuestra que la combustión siempre puede y

debe completarse, por lo cual la emisión de inquemados resulta inaceptable.



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El demostrar que todos los combustibles son lo mismo para efectos de carácter energético, nos permitirá priorizar la utilización de los que resulten menos

contaminantes y plantear nuevas alternativas de sustitución de combustibles fósiles que

preserven el equilibrio ecológico.

1.5 PROYECCIÓN DE LA TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN

El problema energético mundial consiste básicamente en el almacenamiento de energía

y las reservas de hidrocarburos son almacenes de energía química irremplazables en las condiciones que han sido procesadas por la naturaleza, pero reproducibles en

condiciones más controladas y utilizando insumos renovables.

Al demostrar la Teoría Inorgánica de la Combustión que todos los combustibles son

básicamente lo mismo y que todos se queman en la misma forma, facilita esta tarea,

permitiendo plantear como alternativa energética inmediata la misma energía química generada a partir de la energía del sol.

La fotosíntesis resulta el procedimiento que permite hacer realidad este proyecto y ya se

plantea como una alternativa viable la generación de cultivos que permitan disponer de

compuestos orgánicos que puedan convertirse en combustibles similares a los actuales.

La producción de Etanol y Biodiesel para sustituir respectivamente a las gasolinas y al

Diesel ya son una realidad, pero constituyen solamente el inicio de un campo de investigación que marcará los años venideros y podría cambiar la historia mundial.

Cualquier alternativa de suministro energético que no utilice este maravilloso proceso natural estará condenado al fracaso por el costo que representa sustituirlo.

La Teoría Inorgánica de la Combustión, al señalar que la disociación molecular determina el comportamiento de los combustibles en cuanto a sus características de

ignición, establece las pautas a seguir para conseguir las materias primas y los procesos

más adecuados para convertirlas en combustibles apropiados para cada tipo de empleo.

La energía del Hidrógeno, considerada la alternativa del futuro, nos permite demostrar

la utilidad de los conceptos de la Teoría Inorgánica, al comparar las energías de disociación del agua y del metano, para explicar porque el desarrollo actual de las

células de hidrógeno considera su obtención a partir del gas natural agotable y caro,

comparado con lo que representaría el agua como insumo para esta tecnología.



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CAPITULO II

LA COMBUSTIÓN COMO

REACCIÓN QUÍMICA

2.1 Mecanismo general de las reacciones de combustión Para efectos del presente libro, hemos definido que los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido, también variable, de impurezas. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible. En el Cuadro 2.1 se muestran las principales reacciones de combustión que se presentan en la práctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que se encuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarse en los únicos productos finales de combustión, esto es, CO2 y H2O. Cuadro 2.1 Principales Reacciones de Combustión

CARBONO C + O2 -------- CO2 + 97600 Kcal por Kmol CARBONO C + ½ O2 ------ CO + 29400 Kcal MONOXIDO DE CARBONO CO + ½ O2 ---- CO2 + 68200 Kcal HIDROGENO H2 + ½ O2 ---- H2O + 58200 Kcal (vapor) + 69100 Kcal (liquido) AZUFRE S+ O2 --------- SO2 +138600 Kcal METANO CH4 + 2O2 ---- CO2 + H2O + 192500 Kcal (vapor) + 214300 Kcal (líquido) ETANO C2H6+7/2 O2 ----------- 2CO2 + 3H20 + 342000 Kcal (vapor)

+ 373600 Kcal (líquido) PROPANO C3 H8 + 5O2 ------------ 3C02 + 4H20 + 485100 Kcal (vapor)

+ 528700 Kcal (líquido) BUTANO C4H10 + 13/2 O2 -------- 4CO2 + 5H2O + 625700 Kcal (vapor) + 680200 Kcal (líquido)



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En realidad, las reacciones de combustión del carbono y del hidrógeno con el oxígeno, son siempre elementales y únicas :

C + O2 CO2

H2 + ½ O2 H20 Sea cual fuere el compuesto químico que se encuentre en el combustible, se disociará en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepción simple y básica, pero a la vez práctica y efectiva de las reacciones de combustión, permite efectuar con rapidez y precisión los cálculos estequiométricos que facilitarán su adecuado manejo y control. Sea un combustible que tenga una composición por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg de hidrógeno. Para la combustión de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m3 de oxígeno; para C kg. de carbono se necesitarán :

22,4 x (C/12) = 1,87 x C m3 de O2 Para la combustión de 2 kg. de hidrógeno, se necesitan 11,2m3 de oxígeno, luego para H2 kg. de hidrógeno se necesitarán :

11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2 m3 de O2

Por consiguiente, para la combustión de 1 kg. de combustible, el oxígeno mínimo necesario estequiométrico, sería la suma del necesario para la combustión del carbono y el hidrógeno, es decir: O2m = 1,87C + 5,6 H2 m

3 de oxígeno Como la composición en volumen del aire es aproximadamente del 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, se tiene que el aire mínimo necesario será : Am = 100 O2m = 4,76 O2m

21 Por lo tanto el aire estequiométrico necesario por kg. de combustible será : Am = 8,90 C + 26,67 H2 (m

3 de aire)

Este volumen de aire está referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg. de presión)



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Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrógeno, es decir : C = 0,88 y H = 0,12 El aire estequiométrico requerido para la combustión será :

Am = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3 de aire.

En la Figura 2.1 se presenta un nomograma que permite la directa determinación de los poderes caloríficos de cualquier combustible industrial, conociendo su relación carbono/hidrógeno. El conocimiento del calor de disociación de cualquier combinación de carbono e Hidrógeno, permitirá conocer directamente su poder calorífico, restándolo de la suma de los calores de reacción de los elementos disociados (carbono e Hidrógeno) en forma individual. Figura 2.1 Poder Calorífico Inferior en función de la relación (carbono / Hidrógeno)

Analicemos como un ejemplo típico el caso de la combustión del metano que se mostró gráficamente en la Figura 1.5 y se desarrolla en la siguiente forma :

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O H = - 192.500 kcal/kmol En la cámara de combustión el CH4 se disociará en 2H2 y C elemental. El H2 reaccionará violentamente aportando importantes cantidades de calor y formando H2O.

2 H2 + O2 2 H2O H = - 116.400 kcal/kmol

9000

10000

11000

12000

3 4 5 6 7 8

RELACION (C/H)

P.C

.I.

(kcal/

kg

)



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El carbón atómico producto de disociación, en presencia de oxígeno, formará rápidamente CO y completará la reacción de combustión en fase gaseosa, formando CO2 como producto final de combustión y aportando la cantidad correspondiente de calor.

C + O2 CO2 H = - 97.600 kcal/kmol La cantidad total de calor liberada será la suma de las aportadas por la combustión de ambos en forma individual (214.000 kcal), menos la invertida para disociar su composición original, de acuerdo a la siguiente reacción :

CH4 C + 2 H2 H = 20.900 kcal/mol La diferencia (193.100 kcal/mol) resultará un valor muy aproximado al poder calorífico del metano (192.500kcal/mol) determinado en el laboratorio. Cuadro 2.2 Poder Calorífico de combustibles en función de la relación (Carbono/hidrógeno)

En el Cuadro 2.2 se presentan los poderes caloríficos que corresponden a cada combustible en función de su relación carbono/hidrógeno, sus calores de disociación y el poder calorífico real producto de la diferencia de ambos, para los combustible más conocidos y utilizados en la práctica industrial.

Combustible Relación (C/H) P.C.I. (kcal/kg)

Metano 3 11971

4 11362

Propano 4,5 11094

4,8 10944

5 10851

Diesel 2 5,5 10476

6,5 10079

7,5 9706

Residual 8,1 9690



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2.2 Esquema básico de la combustión industrial Los procesos de combustión en instalaciones industriales siempre obedecen a un esquema básico, cuyo conocimiento y comprensión resultan la llave maestra para acceder a cualquier proceso de combustión que se desee conocer y mejorar. En la Figura 2.2 se muestra el esquema básico de la combustión industrial, en el cual se establece que una buena combustión requiere 3 puntos fundamentales: Figura 2.2 Diagrama esquematico de la Combustión industrial



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a) Proporción correcta aire - combustible

El diseño del quemador deberá asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo márgenes de regulación para ambos.

Para asegurar la combustión completa deberá proporcionarse un exceso de aire, procurando que sea lo mínimo que resulte posible.

El análisis de los gases de combustión permitirá conocer el exceso de aire y la eficiencia de la combustión.

En función del análisis de gases en forma manual o automatizada, se deberá efectuar ajustes en las variables de operación, controlando los resultados obte-nidos.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión completa.

b) Mezcla adecuada aire combustible

El diseño del quemador deberá proporcionar las condiciones de mezcla aire-combustible más adecuadas para cada caso.

La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación dentro de los márgenes de operación.

El objetivo principal de la mezcla será el lograr el máximo contacto superficial entre oxígeno y combustible.

El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas que permitan preparar el combustible (pulverización, atomización, vaporización) en el caso de sólidos y líquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para cada caso.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión óptima.

c) Ignición inicial y sostenida de la mezcla

El encendido o ignición inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una fuente externa.

Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción.



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La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cada combustible.

Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externa.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso.

El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirán :

Lograr el máximo aprovechamiento del poder calorífico del combustible utilizado.

Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las condiciones operativas técnica y económicamente más adecuadas.

Esta condición de máxima eficiencia, sin embargo, siempre resultará inestable por depender de una serie de variables interdependientes entre sí e influenciables por factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema dependerá de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo, orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso.

2.3 Tipos de combustión El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes. La combustión podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la forma en que se realiza. 2.3.1 En función de sus productos Se puede considerar los siguientes tipos de combustión:

Combustión perfecta (estequiométrica)

Combustión completa (con exceso de aire)

Combustión incompleta (con defecto de aire)

Combustión imperfecta (pseudo combustión)



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a) Combustión Perfecta Estequiométrica (Figura 2.3) Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente estequiométricas. Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la combustión, etc. en función de la composición del combustible y el comburente empleados. Figura 2.3 Combustión perfecta estequiométrica

b) Combustión completa con exceso de aire (Figura 2.4) Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica. Este exceso de aire conlleva especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso de la combustión:

Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustión.

Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de la combustión.



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El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico estequiométrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustión del 120% respecto al estequiométrico, se expresará como 20% de exceso de aire. El índice de exceso de aire (n), también empleado en la práctica, será en este caso: n = 1.2. Figura 2.4 Combustión completa con exceso de aire

c) Combustión incompleta con defecto de aire (Figura 2.5) Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es nece-sariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros.



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Figura 2.5 Combustión incompleta con defecto de aire

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmósfera contienen aún apreciable contenido calorífico, las pérdidas por combustión incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea además el riesgo de explosión, al llegar a atmósferas súbitamente oxidantes. Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4% del poder calorífico del combustible. d) Combustión imperfecta (Figura 2.6) Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc. Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas:

La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la potencia calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.

La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible, lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o por estar trabajando a una fracción muy pequeña de su potencia nominal.



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La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos, ya que cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro necesita un tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo.

El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire-combustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente de la cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también cuando se trabaja con un gran exceso de aire.

El alto porcentaje de carbono en los combustibles. En la práctica, este es el tipo de combustión más generalizado por resultar más ajustado a la realidad. En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes. Figura 2.6 Combustión imperfecta

2.3.2 Por la forma en que se realiza Siendo siempre la reacción elemental la que se produce en la práctica industrial, puede presentarse el combustible en estado sólido, líquido o gaseoso, lo cual determina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto y reacción con el comburente.



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El conocimiento práctico y estudio teórico de las reacciones de combustión, nos permiten también simplificar en este campo, definiendo que existen únicamente dos tipos de combustión : - Reacción Homogénea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrógeno y CO con el oxígeno para dar lugar a H20 y CO2. - Reacción Heterogénea SOLIDO-GAS; típica del carbón en cualquiera de sus formas, que se produce por difusión térmica y molecular en el entorno de la partícula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO2. a) Reacción Homogénea Gas-Gas El mecanismo general de las reacciones de combustión que hemos definido para el ámbito de la combustión industrial nos permite establecer que sólo nos interesan las reacciones que se producen entre el Hidrógeno y el CO del combustible con el oxígeno del aire. En la reacción homogénea que se produce entre estos elementos, resultará determinante el nivel de contacto entre reactantes; tratándose de gases que incrementan su volumen y turbulencia a medida que elevan sus niveles termodinámicos, resultará determinante para el control de la combustión el diseño de la cámara de combustión que permita un adecuado flujo de los productos de la combustión, manteniendo condiciones estables de la atmósfera en la que se realizan las reacciones de combustión. Las llamas características de la combustión de gases tiene una apariencia azulada, propiciada por la presencia de productos intermedios de combustión o no presentan coloración alguna en el espectro visible. b) Reacción Heterogénea sólido gas Es la que se produce en el entorno de la partícula de carbono para formación de CO y subsecuente combustión con el oxígeno para formar CO2. Los factores determinantes de la velocidad de reacción en este caso dependerán del tamaño de partícula y la disponibilidad de oxígeno en su entorno. Debido a que la velocidad con que se efectúan las reacciones homogéneas de H2 y CO es muy alta, la velocidad con que se efectúa la reacción sólido gas del carbón resulta determinante del proceso en la gran mayoría de casos que se presentan en la combustión industrial, aún tratándose de combustibles gaseosos. En cierta forma, siempre se produce cierto nivel de coexistencia de ambos tipos de combustión, como se verá al efectuar un análisis más detallado cuando, se trate en forma individual la combustión de sólidos, líquidos y gases.

2.4 Mecanismo de la reacción heterogénea



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Definida la reacción heterogénea como el punto de convergencia ineludible de todas las formas de combustión industrial y representando el factor fundamental de control del proceso, resultará de la mayor importancia conocer el mecanismo a través del cual se produce la oxidación de la partícula de carbón. La reacción se inicia en la superficie de la partícula al ponerse en contacto los átomos de carbono y las moléculas de oxígeno, generalmente contenido en el aire, que actúa como comburente y se alcanzan las condiciones mínimas para desencadenar la reacción. A temperatura ambiente, el carbón en contacto con el aire ya se encuentra reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la escasa cinética de la reacción. Para cumplir las exigencias de aporte de calor en los procesos industriales, la reacción tiene que ser violenta y para ello se debe llegar a la ignición, con la que la que se inicia la llama cuando se emiten suficientes gases de CO por reacción superficial. La oxidación completa se produce en 2 etapas: Etapa 1: La reacción heterogénea propiamente dicha:

C + ½ O2 CO + 31,500 kcal/mol Al reaccionar el C con O2 forma CO que se desprende como gas. Etapa 2: La reacción entre el CO desprendido y el O2 disponible en el medio.

CO + ½ O2 CO2 + 62,500 kcal/mol La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original, influenciando su calentamiento hasta este punto la desvolatilización de la partícula sólida, el craqueo y gasificación de gotas, y el craqueo de gases.

Difusión térmica del calor desde el medio hacia el interior de la partícula para favorecer el calentamiento que acelere la cinética de la reacción heterogénea que se produce en la superficie de la partícula.

Difusión molecular del oxígeno hacia la película que rodea la partícula y el interior de los poros dejados por la sálida de volátiles.

Difusión molecular del CO producido en la superficie hacia el medio donde completa su reacción convirtiéndose en CO2 .



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En la Figura 2.7 se muestra la forma en que se desarrolla la combustión heterogénea, hasta completar la combustión cuando la partícula de carbón ha desaparecido.

Figura 2.7 Combustión Heterogénea Los parámetros que permiten caracterizar la partícula de carbón en cuanto a su comportamiento durante el proceso de combustión son los siguientes: a) Tamaño de partícula: Expresado como diámetro promedio en micras, resulta determinante de la velocidad de reacción y liberación de calor. Se planifica en la molienda de carbón pulverizado en función de la formación de llama que se debe adecuar a la cámara de combustión y el proceso. En el caso de combustibles líquidos resulta determinado por el tamaño de gotas atomizadas por el quemador y las condiciones de progresión térmica en el reactor. Si las gotas se craquean antes de vaporizarse, las partículas alcanzarán algunas decenas de micras; si se craquean como gases, el tamaño de las partículas será apenas de unas centenas de Angstrons. En la combustión de gases, al producirse el craqueo en fase gaseosa, el tamaño de partícula siempre será inferior a 1 micra (400-500 Aº). b) Porosidad: Influencia la velocidad de reacción al incrementar la superficie

de contacto para calentamiento y reacción heterogénea. En los carbones minerales depende de su naturaleza y rango, marcado por su nivel de desgasificación previo efectuado por la naturaleza o coquización artificial. En los líquidos la volatilización y desgasificación se produce simultáneamente, por lo cual la porosidad se presume en función de la naturaleza del combustible atomizado.



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Cuando se trata de gas natural, el tamaño microscópico de las partículas resta importancia a su porosidad. c) Contenido de volátiles: Al gasificarse y quemarse con relativa facilidad, los volátiles influencian la velocidad de calentamiento de la partícula y por tanto la cinética de la reacción heterogénea, disminuyendo el tiempo de reacción para un mismo tamaño de partícula. d) Reactividad: Depende de las características superficiales de la partícula y de la presencia de centros activos de reacción, caracterizados por irregularidades propiciadas por rugosidades, concentración de combinaciones del oxígeno, hidrógeno, azufre, etc. Las características térmicas de la partícula, tales como su calor específico, conductividad térmica y su estabilidad de volumen (hinchamiento y crepitación) al calentarse, influencian directamente su reactividad en presencia de oxígeno.

2.5 El reactor de combustión La combustión en una atmósfera libre puede efectuarse con fines de iluminación, aprovechando la energía luminosa de la llama de difusión, pero con fines de aprovechamiento térmico representa niveles demasiado bajos de aprovechamiento energético, aceptables solamente en el campo artesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentración térmica y costos establecen la necesidad de que las reacciones de combustión se efectúen en el interior de un reactor llamado comunmente hogar o cámara de combustión. El diseño de reactores de combustión obedece principalmente a criterios vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida. El diseño de un reactor ideal para asegurar combustión completa podría ser definido en los siguientes términos y/o condiciones:

Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo ésta del tiempo de reacción de las partículas de carbón, en la medida que se acelere la cinética de la reacción con temperatura y turbulencia, podrá acortarse el tiempo de reacción completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.

Volumen útil : Se podrá acortar la longitud del reactor en la medida que se acorte la llama, pero al hacerlo podría abrirse en forma cónica determinando que el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama sobre las paredes. En la medida que se logre formar una llama más compacta



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se podrá reducir el volúmen útil requerido de reactor. El impulso rotacional y el difusor cumplen esta función.

Concentración de calor: Un reactor ideal tendría que ser concebido construído con paredes de material refractario de la mayor reflectividad con capacidad para absorber calor y reflejarlo, manteniéndose en equilibrio térmico. La forma del reactor también presentaría el mejor comportamiento con un diseño cónico o cilíndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad de calor en el centro de la llama.

Siendo desarrollado el proceso de la combustión en reactores que normalmente dependen del proceso, los casos más frecuentes en los equipos más difundidos en la industria : Hornos y Calderos. Analicemos las características de los reactores de combustión en los tipos más frecuentes : a) Hornos rotatorios : En estos reactores de forma cilíndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero igualmente tendrá que disponer de suficiente impulso total para mantenerla centrada y el diseño del quemador tendrá que permitir la formación de llama cónica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes. Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volúmen útil más conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentración térmica. Las características del proceso influencian la concentración de calor; así existe una gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos de cal (reacción endotérmica) y de clínker para cemento (reacción exotérmica). En los secadores rotatorios también se presenta menor concentración de calor y temperaturas de llama por ser la vaporización fuertemente endotérmica. b) Hornos de fundición : En este tipo de hornos el reactor está muy lejos de constituir un diseño ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en el piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta fusión por transferencia de calor por radiación y en menor medida por convección. El nivel de concentración térmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las pérdidas por radiación en las paredes y el techo también son altas. Una mejora considerable de estos hornos como reactores de combustión se ha logrado incorporando mayor número de quemadores en las paredes y en el techo.



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Hornos de Fundición

Los hornos de calentamiento presentan características semejantes como reactores de combustión, pero con menores niveles térmicos. c) Hornos verticales : En este tipo de hornos el volúmen util para la reacción resulta muy limitado , estando por ello muy lejos de presentar condiciones ideales como reactor de combustión. La utilización de combustibles muy fáciles de quemar, precombustión en troneras auxiliares y diseño de hornos con planos inclinados que permitan alojar llamas han sido alternativas aplicadas con éxito. La incorporación del combustible con el material en proceso convierte a todo el horno en reactor, pero con eficiencia muy variada en cada etapa del proceso. d) Calderos pirotubulares En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustión de material refractario, orientando su diseño a losgrar combustión completa, aprovechando el calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por convección. Las exigencias de optimización energética y de diseño han orientado la tendencia en calderos a ubicar la llama en cámaras de agua (fleur) y ubicar paredes húmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultáneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la combustión para asegurar combustión completa, cada vez más difícil por la menor concentración de calor.



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e) Calderos acuotubulares Las cámaras de combustión en estos calderos están formadas por tubos de agua cada vez más compactos, complicando su función como reactores de combustión. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidad para formar llamas cada vez más turbulentas y compactas, lo que se ha logrado creando una zona de menor presión en la zona central de la llama (llama cónica hueca). Los calderos de alta capacidad con grandes cámaras de combustión y un gran número de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiación desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y aprovechamiento térmico a los aplicados en los hornos de fundición.



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CAPITULO III

La combustión como

proceso fisicoquímico

Al producirse y manejarse la reacción de combustión con el propósito de aprovechar el poder calorífico del combustible con fines industriales, adecuando su desarrollo a los requerimientos de un determinado proceso térmico, se establece condiciones que convierten a la combustión en el proceso fisicoquímico que conocemos como llama. La llama es la combustión misma, el espacio donde se desarrolla la combustión y la manifestación visible de la combustión; todo al mismo tiempo. Por ello resultará de la mayor importancia dominar los 3 campos de la tecnología que resultan fundamentales en el desarrollo de la combustión y la determinación de las características de la llama: Mecánica de Fluídos, Cinética Química y Transferencia de Calor.



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3.1 La llama como manifestación visible de la combustión

En términos teóricos, la llama es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustión, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto térmico como químico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen manifestaciones de las condiciones en que se efectúa la generación de calor. En términos prácticos, podríamos definir a la llama como "el espacio donde se realiza la combustión", o también, como "la manifestación visible de la combustión", cuando se trata de combustibles sólidos y líquidos. La mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su creador, vigilante y mantenedor. La creación y mantenimiento de una llama apropiada, es un requisito previo e imprescindible para el aprovechamiento racional de la energía contenida en el combustible y que es capaz de arder en forma de calor. Decir que una llama es apropiada, significa que tiene un conjunto de cualidades y características de naturaleza geométrica, física y química idóneas y compatibles con la aplicación perseguida. 3.1.1 Condiciones Límites para que se produzca una llama a) Límites de inflamabilidad La relación de combustible/oxígeno (aire) resulta crítica. Si esta relación es muy pequeña el combustible será muy pobre para quemarse, y si es demasiado grande, será demasiado rica para arder. Los límites de la relación combustible aire, en ambos sentidos, se llaman "límites superior e inferior de inflamabilidad del



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combustible". En el Cuadro 3.1 se presentan valores para algunos gases y vapores conocidos. Cuadro 3.1 Límites de inflamabilidad

b) Límites de temperatura Las Temperaturas máxima y mínima, a las que pueden encontrarse los gases de combustión, coincidentes con los instantes final y de encendido de la llama, establecen igualmente límites por sobre los cuales, no podrá mantenerse una combustión estable, por romperse el equilibrio entre la difusión térmica y la veloci-dad de producción de calor. c) Límites de presión Existen igualmente límites de presión que establecen un intervalo de presiones, dentro del cual puede existir una llama. Por debajo de 1 mbar absoluto las llamas tienden a extinguirse. El límite superior lo establece la peligrosidad de la mezcla a altas presiones, pudiendo estar por encima de 100 bar. d) Límites por el "efecto pared" Los intercambios térmicos entre la llama y las paredes del recinto, establecen un límite denominado "efecto pared". Incluye la propia boquilla de salida, lo cual hace que en sus proximidades no se observe llama, y la presencia de "puntos fríos" en el interior de la cámara de combustión. 3.1.2 Tipos de llamas y su clasificación a) Por la modalidad de la mezcla del combustible

Llamas de difusión: Cuando la mezcla del combustible y comburente se realiza en el instante de la combustión.

Llamas de premezcla: Cuando la mezcla de los fluidos se realiza parcial o totalmente antes de alcanzar la cámara de combustión.

b) Por la velocidad del flujo de los reactantes

Laminar: Cuando los fenómenos de la mezcla y transporte ocurren en fluido laminar, es decir, estable, uniforme y a bajas velocidades (no excede 1 m/seg).

Turbulenta: Cuando la velocidad de salida de los gases es importante, con objeto de liberar un máximo de energía por unidad de tiempo, producto de

% Volumen en aire Sustancia Límite Inferior Límite Superior

Monóxido de carbono

(CO) 12,5 74,0

Hidrógeno (H2) 4,1 74,0 Metano (CH4) 5,3 14,0 Etileno (C2H4) 3,0 29,0 Etano (C2H6) 3,2 12,5

Propano (C3H8) 2,4 9,5 Butano (C4H10) 1,9 8,4

Pentano (C5H12) 1,4 7,8 Benceno (C6H6) 1,4 6,7

Gas Natural 4,8 13,5



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condiciones más favorables para la mezcla combustible-oxígeno (velocidad unas 50 veces mayor que en fluido laminar).

c) Por su posición respecto a la boca del quemador

Llamas explosivas libres: Cuando se desarrollan en la atmósfera a la salida de un orificio, sin contacto con paredes laterales.

Estacionarias: Cuando el combustible se quema poco a poco a medida que pasa a través de una determinada zona del sistema, dando lugar a llamas alargadas y de combustión lenta.

d) Por el estado físico del combustible

Combustibles gaseosos: Resultan más simples por hallarse combustibles y comburentes en una sola fase, pero difícilmente observables, y por tanto, difíciles de regular y controlar.

Combustibles líquidos: El caso más frecuente en la práctica, fuertemente atomizados o dispersos, presentan importante presencia de partículas que queman en suspensión, emitiendo en el espectro visible cuando se encuentran en estado incandescente, facilitando su observación, regulación y control.

Combustibles sólidos: Pulverizados se asemejan a los líquidos; en lecho fijo se complican por intervenir reacciones adicionales de pirólisis.

3.1.3 Temperaturas de la llama Se denomina temperatura teórica de combustión, temperatura adiabática de combustión o temperatura de combustión calorífica, a la que se obtendría en una combustión estequiométrica, con mezcla perfectamente homogénea y en un tiempo brevísimo que no dé tiempo a pérdidas caloríficas con el ambiente. Para el cálculo teórico de la temperatura adiabática de llamas se utiliza la siguiente fórmula :

Donde :

Ta : Temperatura adiabática de llama

PCI : Poder Calorífico Inferior

Vg : Volumen de gases de combustión



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Cp : Calor Específico de los gases de combustión

En el Cuadro 3.2 se presenta la comparación de algunas temperaturas de llamas. Es importante observar que las llamas mas calientes, no son las que en teoría corresponden a una mayor liberación de energía, sino a aquellas cuyos productos finales de la combustión son más estables. Cuadro 3.2 Temperatura de llamas de algunos combustibles

Las temperaturas reales en la llama, disminuirán en función de las condiciones reales de trabajo, dependientes de algunos de los siguientes factores:

a) Calor sensible del aire y el combustible. b) Exceso de aire. c) Características de la transferencia de calor en la cámara de combustión.

d) Difusión molecular de reactantes. e) Difusión térmica de productos.

En la Figura 3.1 se puede observar la influencia de la temperatura del aire de combustión y del exceso de aire sobre la temperatura promedio de la llama.

COMBUSTIBLE COMBURENTE TEMP. INDICE TEORICA REAL

ºC EXCESO AIRE n ºC ºC

Acetileno Aire 15 1,00 2630 2320 Monóxido de Carbono

Aire 15 1,00 2470 2100

Hidrógeno O2 15 ---- 2974 ---- Hidrógeno Aire 15 1,00 2210 2045 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1735 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1880 Metano Aire 15 1,00 1915 1880 Etano Aire 15 1,00 a a Propano Aire 15 1,00 1980 1925 Butano Aire 15 1,00 Fuel oil pesado Aire 15 1,00 2015 Fuel oil pesado Aire 15 1,30 1690 Fuel oil pesado Aire 300 1,00 2120 Fuel oil pesado Aire 300 1,30 1845



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Aunque en el espectro de la llama se distinguen tanto bandas visibles, como infrarrojas y ultravioletas, moleculares y atómicas, e incluso, la mayor parte de calor se transfiere en la banda de infrarrojos, no visible al ojo humano, en la práctica resulta de indiscutible validez y gran utilidad el juzgar la temperatura de la llama por observación visual de su coloración. Como ejemplo, en el Cuadro 3.3 se presentan las temperaturas que corresponden a los colores observados en la llama de un horno rotatorio para cemento. Cuadro 3.3. Temperaturas que corresponden a los colores de la llama

Cuadro 3.3 Color y Temperaturas de llamas

COLOR ºF ºC

Rojo suave 875 475 Rojo suave a rojo oscuro 875 -1200 475 - 650 Rojo oscuro a rojo cereza 1200 - 1375 650 - 750 Rojo cereza a rojo cereza 1375 - 1500 750 - 825 brillante Rojo cereza brillante a naranja 1500 - 1650 825 - 900 Naranja a amarillo 1650 - 2000 900 - 1090 Amarillo a amarillo brillante 2000 - 2400 1090 - 1320 Amarillo brillante a blanco 2400 - 2800 1320 - 1540 Blanco a blanco deslumbrante más de 2800 más de 1540

Figura 3.1 Influencia de la temperatura del aire de combustión y del exceso de aire sobre la temperatura de llama.



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3.2 FORMACIÓN DE LLAMA Y GASODINÁMICA DE LA COMBUSTIÓN

El desarrollo de un proceso de combustión y la conformación de llama en el interior de un reactor o cámara de combustión, constituyen en lo fundamental un problema de mecánica de fluídos que permite controlar a través de la intensidad de mezcla la cinética de la reacción de combustión, en la forma que permita establecer las condiciones más favorables y adecuadas de transferencia de calor. La comprobación práctica de que siempre se cumplen los postulados de la teoría inorgánica de la combustión, nos conduce a una visión diferente, más simple y objetiva, de la combustión industrial. Se pueden establecer 4 etapas en el desarrollo del proceso de combustión:

Mezcla de combustible y comburente

Ignición y encendido de la mezcla

Reacción química

Difusión de los productos de la combustión. La ignición y la reacción química son rapidísimas, prácticamente instantáneas, mientras que la mezcla y difusión de gases resultan lentas, complicadas y difíciles. En el interior de las cámaras de combustión se maneja la combustión como una suspensión de partículas de carbón en el aire que al reaccionar producirán gases de combustión y calor. La forma de la llama resulta influenciada por las características de tamaño, naturaleza y composición de las partículas de coque procedentes de la molienda de carbón mineral, craqueo en fase líquida o gaseosa de combustibles líquidos, o craqueo de gases, pero determinada finalmente por las características de los impulsos de los flujos dominantes, aire primario o el propio combustible cuando se trata de gas natural.



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En consecuencia, la mecánica de fluidos resulta fundamental para determinar la forma en que se efectúa la reacción de combustión y la definición de las características de la llama. Para conocer los factores que afectan la formación de llama en el campo de la mecánica de fluidos, analicemos la gasodinámica de la combustión : El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que actúa dinámicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y succionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la dirección prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores. En un chorro libre la presión estática es constante, mientras que en un chorro confinado la presión se incrementa con la distancia de la tobera ocasionando la formación de una zona de recirculación.

Figura 3.2 Esquema de chorro en espacio libre

Un chorro en un espacio libre se compone de las 4 partes que se muestran en la (Figura 3.2).

Corazón o núcleo del chorro

Zona de mezcla

Zona de transición

Chorro completamente desarrollado La región del núcleo se caracteriza por velocidad constante y concentración similar a la de la tobera. Fuera de esta zona se desarrolla una capa límite en la cual momento y masa se transporta en forma perpendicular al flujo. La longitud del nucleo es 4 o 5 veces el diámetro de la tobera. La región transitoria que puede alcanzar unos 10 diámetros precede a la formación del chorro final.



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La forma del chorro se caracteriza por el ángulo mitad , el cual se forma entre el eje del chorro y la línea formada por los puntos en los cuales la velocidad es la mitad de la velocidad en el eje (Figura 3.3). El chorro que fluye de la tobera en un horno tubular puede ser caracterizado como un chorro libre recto circular, habiéndose comprobado como valor práctico para el ángulo mitad 4.85 °, el cual no varía con la confinación del chorro; sin embargo, el grado de turbulencia (S) puede incrementarlo en la siguiente forma:

ÁNGULO MITAD = (4.85) (7S) A partir del punto medio entre la tobera y la proyección del chorro que toca la pared del horno, el chorro puede considerarse y comportarse como un chorro confinado, por lo cual se presenta la recirculación de gases quemados. Al producirse la ignición del combustible y convertirse el chorro en llama, delimitando el frente de llama, se incorporan al flujo los gases de combustión producidos y la energía generada por la reacción, los cuales influencian en forma distinta la cinética de la reacción y por tanto la longitud de llama. Mientras que el calor generado incrementa la velocidad de reacción, la presencia de gases de combustión ya quemados e inertes disminuyen la disponibilidad de oxígeno para la reacción y por lo tanto la demoran.

Figura 3.3 Forma del chorro, caracterizado por el ángulo mitad

El chorro de los quemadores unicanal puede ser considerado como un chorro recto circular, como el que se muestra en la (Figura 3.4) El incremento de presión que ocasiona el chorro genera una recirculación de gases quemados hacia la zona exterior, tomando la llama una forma cónica. Siendo el ángulo mitad de 4.85°, aproximadamente a unos 3 diámetros del horno se debería producir el impacto de la llama con las paredes del horno.



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Figura 3.4 Chorro recto circular

Si el quemador dispone de suficiente energía cinética para mantener formada la llama y la cinética de la reacción es suficientemente rápida para completar la combustión en este trayecto, al punto P impactaran gases quemados y la llama formada resultará ideal. Si por el contrario, la combustión no se completa, sobre el punto P impacta llama provocando problemas; para evitarlo, se resta potencial al quemador, el chorro pierde velocidad y se igualan las velocidades con el aire secundario restante y los gases quemados, la llama se desarma antes de impactar y la combustión se completará dentro de la masa uniforme de los gases circulando a través del tubo del horno sin ningún control, dando lugar a pegaduras, anillamientos y la presencia de inquemados a la salida del horno, debido a que la posibilidad de combustión completa desaparece. Al incorporar un tubo central convirtiendo el ducto en un espacio anular se crea una depresión en el centro que propicia que se produzca la recirculación interior de gases quemados calientes que se utiliza en algunos casos para estabilización de la llama. Este efecto se incrementa al incorporar una placa central o proporcionar radialidad al flujo (Figura 3.5).



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Figura 3.5 Perfil del flujo por efecto de la radialidad proporcionada.

Cuando se imprime rotación a un fluido se consiguen los chorros giratorios que modifican su perfil de velocidades por efecto de la rotación, como se muestra en la (Figura 3.6) . En (a) no existe rotación; en (b) hay una rotación ligera que hace aumentar la velocidad periférica y deprime la central ; en (c) se alcanza el umbral crítico, anulándose la velocidad en el centro; en (d) el estado es supercrítico, con inversión de velocidades en el centro. Para cuantificar este efecto se utiliza el concepto de Fuerza de Rotación que es un número adimensional definido por la relación del momento del impulso tangencial con el producto del radio del inyector por el impulso axial. Figura 3.6 Perfil de velocidad por rotación del fluido.

En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductor en la medida que aumente la fuerza de rotación, como se puede observar en la (Figura 3.7) en la cual se grafica la relación de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotación.

a b c d



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La división del flujo dominante, aire primario y/o gas natural, en componentes axial y radial permite controlar la forma y tendencias de la llama en el interior de la cámara de combustión, lo que resulta de una importancia determinante para 3 propósitos fundamentales:

Formar la llama que permita aprovechar al máximo el volumen útil de la cámara de combustión

Disponer de la máxima potencia calorífica

Imprimir la intensidad de mezcla que resulte adecuada para asegurar combustión completa.

Podemos mencionar varios ejemplos de aplicación que muestran la importancia de la aplicación de estos conceptos en el desarrollo tecnológico industrial: En Calderos acuotubulares: La adecuación de la forma de llama a las geometrías rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido conseguir una reducción formidable de sus dimensiones, consiguiendo unidades cada vez más grandes en capacidad de generación de vapor pero mucho más compactas, ahorrando espacio, materiales y energía, porque también resultan considerablemente más eficientes. En hornos cementeros: La formación de llama cónica hueca ha resultado tan importante para lograr las condiciones adecuadas de potencia térmica, transferencia de calor y estabilidad operativa que exige el proceso de clinkerización que ya no se concibe un horno cementero que no opere con este tipo de llama y resulte competitivo. En hornos cerámicos : La formación de llamas planas para evitar su impacto sobre las piezas en proceso ha permitido conseguir excelentes condiciones de transferencia de calor y mejorar la calidad de acabados.

Figura 3.7 Relación de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotación.



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3.3 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación

La radiación es la transferencia de calor mediante energía radiante que parte de la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita de un soporte material. Cuando esta energía alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra parte puede ser transmitida a través del cuerpo receptor, cuando es diatérmico y finalmente el resto es absorbida. La radiación térmica se asocia a una radiación electromagnética con un intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100 micras.

Para calcular el calor transmitido por radiación se aplica la fórmula:

en donde: Qr : calor emitido por radiación por m2 y hora (Kcal/h.m2) C = constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4

= emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante.

T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273) T2 = Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273) Para efectos del trabajo de los hornos en la zona crítica, la transferencia de

calor por radiación desde la llama resulta un factor de la mayor importancia, debiendo destacarse que :

Resulta proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. La temperatura de llama varía con el exceso de aire de combustión y la temperatura del aire secundario, en la forma que se mostró en la Figura 3.1.

Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez depende de la permanencia de las partículas en estado incandescente. La emisividad de llamas de carbón, petróleo y gas natural se puede observar en la Figura 3.8. La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar



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compensarse, demorando la disponibilidad de las partículas para que se produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de calor por radiación.

Figura 3.8 Emisividad de llama

3.4 Difusión de gases de combustión y transferencia de calor por convección

La transmisión de calor por convección se refiere generalmente a la transferencia de calor desde la superficie límite de un sólido a un fluido, debido a las diferencias de densidad entre las zonas calientes y frías del mismo (convección natural), pudiendo favorecerse este movimiento por medios mecánicos (convección forzada). Para calcular el calor transmitido por convección se aplica la fórmula:

Donde: Qc : Calor transmitido al fluido desde la superficie de un sólido por m2

(Kcal/h . m2). hm : Coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido sin incluir la

energía radiada (Kcal/h.m2. ºC) ts : temperatura de la superficie del sólido (0C) tm : temperatura media del fluido (0C) R : resistencia térmica (°C . h . m2 ) / kcal



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La transferencia de calor por convección:

aumenta cuando aumenta ts

aumenta cuando disminuye tm

aumenta cuando aumenta el valor de hm

El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fácil de determinar teóricamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y correlaciones utilizando la teoría de modelos y números adimensionales.

Varía con:

Las propiedades físicas del fluido (conductividad térmica, densidad, calor especifico, viscosidad).

Dimensiones del aparato

Velocidad del fluido

Existencia de cambio de fases

incremento de temperaturas

En los hornos, calderos y procesos industriales se produce transferencia de calor por convección en todo el circuito de circulación de los gases de combustión desde la llama hasta la chimenea de salida. El diseño de los procesos, instalaciones y equipos industriales determinan los niveles de aprovechamiento del calor liberado en la combustión en función de las condiciones que favorezcan la transferencia de calor por convección de los gases calientes al proceso y el revestimiento interno del horno (Figura 3.9).

3.5 Estabilidad de llama y las 7 ―tes‖ de la combustión.

Figura 3.9 Horno de cemento, un excelente ejemplo de aprovechamiento de calor por radiación, utilizando materiales refractarios para mejorar la transferencia de calor.



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La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centímetros por segundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla estequiométrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s). La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama y su situación está condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulación de los gases y la velocidad de propagación de la llama; expresado en términos prácticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entre la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que se quema (Figura 3.10). El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los múltiples factores que intervienen en la cinética de la reacción de combustión, determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo, produciéndose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo, llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga. En la literatura técnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de control operativo sobre la llama las 3 te´s de la combustión, pero investigando en este campo hemos encontrado que son siete las te´s que influencian este proceso. Figura 3.10 Frente de llama, criterio básico para determinar el equilibrio de las

velocidades. Las dos primeras emanan de la teoría inorgánica y se refieren al Tamaño de partícula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del quemador.



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Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagación de la llama resultan de fundamental importancia las tres Te's clásicas de la combustión, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura. La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero en el desarrollo de la combustión intervienen otros parámetros que determinan condiciones que podrían afectar la estabilidad inicial conseguida y coincidentemente, también comienzan con la misma letra: Transferencia de calor y Transporte de gases. Pero aún tenemos más Te´s que influencian la llama y el proceso de combustión: el Tiro que crea las condiciones de circulación de gases y la Tensión (presión) en el interior de la cámara de combustión. Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio la reacción de combustión, y por ende, las características de la llama. El Tiempo determina la velocidad con la que se efectúa la reacción y resulta fuertemente determinado por el Tamaño de la partícula de carbón; si se eleva la Temperatura de la llama, aumentará la velocidad de reacción y con ella la generación de calor; asimismo aumentará el volumen de productos de combustión, incrementándose la Turbulencia en el entorno de la llama, tomando en cuenta que las condiciones de mezcla también serán influenciadas por la trayectoria de la partícula de carbón, creada por su propio impulso y/o establecida por los flujos dominantes. La Transferencia de calor desde la llama a su entorno variará la temperatura y por tanto la cinética de la reacción. El Transporte de los gases de combustión impulsados por el Tiro tendrán que asegurar la presión más conveniente en la cámara de combustión.



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Figura 3.11 Las siete Te’s de la combustión

El aumento de la Turbulencia favorecerá la cinética de la reacción, disminuyendo el Tiempo de reacción; la mayor generación de calor producirá un incremento de Temperatura. Esta constante influenciada por estos tres factores, determinará las condiciones del equilibrio de llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustión. La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza la combustión y constituir en la mayoría de casos una manifestación visible de la combustión, facilitando su adecuado manejo y control, determina la necesidad de analizar las características de formación de llama de sólidos, líquidos y gases en forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Te´s de la Combustión (Figura 3.11).



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CAPITULO IV

EL AIRE DE COMBUSTIÓN

En el desarrollo de la tecnología de la combustión del siglo XX

se cometieron muchos errores, pero sin duda alguna el principal

fue desconocer la importancia del aire.

Al establecer la Teoría Inorgánica de la Combustión que la

formación de llama y el control sobre el desarrollo de la

combustión constituyen principalmente un problema de

mecánica de fluidos, siendo el aire el flujo dominante para

determinar las condiciones de mezcla y turbulencia que definen

la calidad de la combustión, demuestra que el aire siempre

resulta más importante que los combustibles en la combustión.



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4.1 Caracterización del Aire Atmosférico

La naturaleza no se ha limitado a almacenarnos energía química durante millones de años en los combustibles fósiles. También nos proporciona en la atmósfera, el oxígeno

necesario para liberarla mediante la combustión.

4.1.1 Formación de la Atmósfera Terrestre

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra y comenzó a

formarse hace unos 4600 millones de años con el nacimiento del planeta.

La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra estaría formada

por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto a muy

pequeñas cantidades de hidrógeno y monóxido de carbono, pero con ausencia

de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad

fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono hace unos 2.500

millones de años ; hace unos 1000 millones de años. la atmósfera llegó a tener

una composición similar a la actual.

También ahora los seres vivos siguen desempeñando un papel fundamental en

el funcionamiento de la atmósfera. Las plantas y otros organismos

fotosintéticos toman CO2 del aire y devuelven O2, mientras que la respiración

de los animales y la quema de bosques o combustibles realiza el efecto

contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la atmósfera.

Analicemos la forma en que se han producido tales transformaciones:

Su origen se produce por:

Pérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He).

Aumento de la masa de la Tierra: Gravedad.

Enfriamiento de la Tierra.

http://es.wikipedia.org/wiki/Nebulosa

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Helio

http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad



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Desgasificación de la corteza terrestre

Formación de una capa de gases: atmósfera primitiva con una composición

parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían el N2, CO2, HCl y SO2.

Algunos gases y el H2O de procedencia externa (Cometas).

En la etapa prebiótica, antes de la vida, la atmósfera sufrió algunos cambios:

Condensación del vapor de agua: formación de los océanos y disolución de

gases en ellos (CO2, HCl y SO2).

Principal gas de la atmósfera: Nitrógeno (N2).

No había oxígeno (O2).

Etapa microbiológica, con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas que usan

H y H2S y fotosintéticas (bacterias del azufre y cianobacterias):

Comienza la producción de Oxígeno del océano.

El O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas:

Fe+3

+ O2 → Fe2O3

Una vez oxidadas las sustancias, empieza la producción de O2 para la atmósfera.

El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre.

Pruebas de ello son las formaciones de capas rojas de origen continental.

Etapa biológica, con la aparición de organismos eucariotas con fotosíntesis más

eficiente:

Aumento del O2 en la atmósfera hasta la concentración actual (21%).

Formación del escudo de Ozono (O3) para protección de la radiación ultravioleta del Sol, permitiendo la colonización de las tierras emergidas.

4.1.2 Estructura de la Atmósfera

Atendiendo a diferentes características, la atmósfera se divide en:

La troposfera, que abarca hasta un límite superior llamado tropopausa que se

encuentra a los 9 Km en los polos y los 18 km en el ecuador. En ella se

producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de

aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercanía a la

hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos:

http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_terrestre

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_clorh%C3%ADdrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufre

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Cometa

http://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9ano

http://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n



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lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc. Es la capa de más interés para la

ecología. En la troposfera la temperatura va disminuyendo conforme se va

subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior.

La estratosfera comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite

superior llamado estratopausa que se sitúa a los 50 kilómetros de altitud. En

esta capa la temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a

ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en

dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar

frecuentemente los 200 km/hora, lo que facilita el que cualquier sustancia que

llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que

sucede con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera,

entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono que tan importante

papel cumple en la absorción de las dañinas radiaciones de onda corta.

La ionosfera y la magnetosfera se encuentran a partir de la estratopausa. En

ellas el aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares

en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de

radio, pero su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos.



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Figura 4.1 Estructura de la Atmósfera terrestre.

4.1.3 Composición del Aire Atmosférico.

El análisis de la composición del aire es sumamente compleja y variable en función del

lugar y del tiempo.

En primer lugar, el aire en la naturaleza nunca se encuentra seco. La variación de su

humedad, depende de la presión y la temperatura. Durante el aporte de aire a los procesos de combustión, la humedad del aire trabaja robando calor al sistema.

Su composición en cuanto a gases no condensables es también incierta. Si suponemos una composición media según el Cuadro 4.1.

Cuadro 4.1

Composición del aire atmosférico

% en Volumen ppm en Volumen

Nitrógeno 78,084 0,004

Oxígeno 20,946 0,002

CO2 0,033 0,001

Argón 0,934 0,001

Neón 18,18 0,04

Helio 5,24 0,004

Kriptón 1,14 0,01

Xenón 0,087 0,001

Hidrógeno 0,05 0,001

N2O 0,5 0,1

Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el

ozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre, etc. También hay partículas de

polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños

organismos o restos de ellos, ClNa del mar, etc. Muchas veces estas partículas

pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas (smog o

http://www1.ceit.es/Asignaturas/Ecologia/Hipertexto/10CAtm1/330Smog.htm



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neblumo) muy contaminantes.

Materiales sólidos en la atmósfera (Partículas/cm3)

Alta mar 1000

Alta montaña (más de 2000 m) 1000

Colinas (hasta 1000 m) 6000

Campos cultivados 10 000

Ciudad pequeña 35 000

Gran ciudad 150 000

Los volcanes y la actividad humana son responsables de la emisión a la

atmósfera de diferentes gases y partículas contaminantes que tienen una gran

influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas,

como veremos.

Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la

superficie, comprimidos por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la

altura la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5.5

kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total

y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia

atmosférica.

La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus distintos

componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez más enrarecido

(menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la

composición se hace más variable.

4.14 Agua en el aire



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La humedad atmosférica es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire y varía según las condiciones climatológicas, está presente en la troposfera (desde el nivel del

mar hasta una altura media de 11 km) y varía de 0 a 25 % en volumen.

Aire húmedo = aire seco + vapor de agua.

El comportamiento de la mezcla de aire seco y vapor de agua sigue la ley de Dalton de las presiones parciales, de acuerdo a sus respectivas propiedades: La presión total de

una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes. Pt = p1 + p2 + p3 + ... y la presión parcial es la presión que ejercería cada componente

en las mismas condiciones del sistema.

La presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y la presión del vapor de

agua.

La presión del vapor de agua depende del número de moléculas presentes en un

determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de volumen y varía con la temperatura. Se mide en mm de Hg o en milibares ( 1mb = 0.76

mm de Hg). El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las

regiones tropicales cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 mb.

Los aparatos que se usan para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos

(porque dan mediciones muy precisas).

Presión de vapor a saturación. Es la presión de vapor ejercida por el vapor de agua

contenido en un volumen de aire saturado a la temperatura del aire contenido en ese volumen.

Humedad absoluta es el número de gramos de vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire a una temperatura y presión determinadas. Se expresa en g (de vapor de

agua)/m3 (de aire) a una presión y temperatura especificadas.

La humedad específica se expresa en g (de vapor de agua)/kg. (de aire húmedo).

Mezcla de humedad es la relación entre la cantidad (masa) de vapor de agua y la

cantidad (masa) de aire seco, y se expresa en g (de vapor de agua)/kg. (de aire seco).



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Humedad relativa (HR): Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad relativa y se define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua, es

decir, es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de

aire en unas condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una

muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre.

HR = e/E(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturación(100).

Para medir la humedad relativa del aire se utilizan higrómetro y psicrómetros de

diferentes tipos (Figura 4.4).

Figura 4.2

Medición de Humedar Relativa en el Aire

Para la comodidad personal la humedad relativa es un factor importante porque cuando es baja causa una un exceso de pérdidas de calor del cuerpo por evaporación de agua,

provocando resequedad de la piel y de las membranas mucosas. Cuando la humedad es

alta, el sudor no se evapora con facilidad y el cuerpo no puede enfriarse adecuadamente.

Figura 4.3



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Cuando se enfría aire húmedo en ausencia de superficies sólidas sobre las cuales pueda

producirse la condensación, la presión parcial del agua puede ser superior a la presión de vapor del agua a esa temperatura, por lo que se dice que el aire está sobresaturado de

vapor de agua.

Cuando el sistema está en condiciones metaestables (casi en equilibrio) y se perturba, se puede provocar una condensación repentina que se manifiesta formando neblina o

pequeñas gotas líquidas.

Punto de rocío. Es la temperatura a la cual el aire queda saturado por enfriamiento sin adición de vapor de agua y a presión constante (proceso isobárico). Cualquier

disminución posterior de temperatura (enfriamiento) produce condensación, así se

forma la niebla y el rocío. También puede decirse que es la temperatura a la que el vapor de agua de la atmósfera empieza a condensarse y la temperatura del termómetro

seco y húmedo del psicrómetro son iguales.

Para cualquier temperatura de punto de rocío el contenido de vapor de agua es constante, independientemente de las temperaturas seca y húmeda. Este concepto es

muy útil para expresar la humedad atmosférica, ya que se usa para pronosticar la probabilidad de formación de niebla y nubes, etc.

4.1.5 La verdadera función del Ozono en la atmósfera



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La Fusión Nuclear del Hidrógeno en el núcleo del sol constituye el origen de todas las formas de energía conocidas en nuestro universo. Cada segundo que transcurre, 567 millones de toneladas de Hidrógeno se convierten en 563 millones toneladas de Helio, liberando al universo una formidable cantidad de energía radiante; la dos mil millonésima parte incide en nuestro planeta, alimentando el ciclo vital a través de la fotosíntesis.

Figura 4.4

Fusión Nuclear del Hidrógeno

Siendo conscientes de la validez

del Primer Principio de Termodinámica, durante mucho tiempo hemos buscado el destino de las 4 toneladas de Hidrógeno restantes; estudiando los trabajos realizados por físicos sobre la energía radiante, finalmente los hemos encontrado, basados en lo manifestado por Planck y Einstein respecto a la idea de la luz como partícula y la capacidad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.

La explicación la encontramos al conocer la forma en que se desarrolla la fusión del

hidrógeno:

El núcleo del tritio contiene un protón y dos neutrones, y el del deuterio un

protón y un neutrón, dando un total de 5 partículas. En la fusión de esos

isótopos, cuatro de las partículas -2 neutrones y 2 protones- se unen con gran

fuerza para formar un átomo de Helio, siendo capaces de expulsar

http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_t%C3%A9rmico



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violentamente al neutrón restante, siendo este nucleolo la cantidad de materia

que nos completa el balance.

Se ha asumido que los rayos ultravioleta contenidos en los fotones son los que producen fenómenos dañinos sobre la vegetación y los seres vivos, pero las explicaciones científicas sobre este tema no nos parecen suficientemente fundamentadas; en cambio, la incidencia de corpúsculos de masa de hidrógeno incidiendo sobre otras formas de materia con contenido de oxígeno provocarían procesos de reacción capaces de alterar su estructura, produciendo daño irreversible. Esta sería, por ejemplo, la causa del cáncer a la piel y no los rayos ultravioleta que normalmente producen un estético bronceado y por exceso solamente una curable insolación. La capa de Ozono en la estratósfera no filtra los rayos ultravioleta; solamente actúa como un catalizador físico de la reacción de oxidación, invirtiendo su contenido energético en aportar la energía necesaria para romper la molécula de ozono, lo cual constituye una reacción química de reducción endotérmica; ello explica la disminución del contenido de energía en forma de rayos ultravioleta. El átomo de oxígeno que queda libre no forma una nueva molécula de oxígeno, como explican los científicos; simplemente favorecen la oxidación del Hidrógeno que viaja con la energía radiante procedente de los nucleolos, formando moléculas de agua y oxigeno molecular.

Figura 4.5

CAPA PROTECTORA DE OZONO

Formidable paraguas químico

para protección de

la vida en el planeta

En términos técnicos más claros y simples, el oxígeno normal (02) no resulta capaz de llegar a combinar toda la masa de Hidrógeno que viaja con la energía



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radiante que atraviesa la atmósfera; el Ozono (O3), con mayor capacidad oxidante, atrapa el hidrógeno combinándolo para formar agua inerte. Los aerosoles, formados por Clorofluorocarbonatos (CFC) con gran actividad química, al llegar a la estratósfera se combinan con el ozono, eliminando este formidable paraguas químico, exponiéndonos a esta lluvia química de acción y consecuencias mortales. Esta nueva concepción de la función ecológica de la capa de Ozono, basada simplemente en su mayor capacidad oxidante, resultará más fácil de explicar, estudiar y proteger.

Figura 4.6

CLOROFLUOROCARBONATOS

Enemigos mortales de la Capa de Ozono

4.2 LA FUNCIÓN QUÍMICA DEL AIRE EN LA COMBUSTIÓN

Los combustibles son almacenes de energía química formados por la naturaleza durante millones de años, que se transforma en energía térmica, al reaccionar sus componentes

básicos, Hidrógeno y Carbono, con el oxígeno.

La fuente de oxígeno para la combustión más abundante, barata y fácil de manejar es,

indudablemente, el aire.

Esta condición de fuente inagotable de oxígeno y la permanente disponibilidad del aire

en cualquier condición de tiempo y espacio, conduce con frecuencia al error de

minimizar su importancia en el proceso de combustión.



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4.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL AIRE COMO COMBURENTE

En forma similar a la que debe permitir el perfecto conocimiento del combustible empleado, el aire de combustión también debe ser caracterizado, tanto en los aspectos

que definen su empleo como comburente, como para asegurar que sea aportado al

quemador en las condiciones previstas en su diseño.

Se llama comburente al aire o al oxígeno que participa en la oxidación de la materia

combustible liberando luz y calor en el proceso llamado combustión.

Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el aire de combustión sean

aportados al quemador en las condiciones previstas en su diseño.

Para efectos prácticos resultará suficientemente correcto considerar la siguiente

composición, a nivel del mar, en condiciones normales de presión (760 mm de Hg) y temperatura (0ºC):

Nitrógeno : 79% en volumen (77% en peso)

Oxígeno : 21% en volumen (23% en peso)

En la mayor parte de los casos para las determinaciones técnicas de tipo teórico

(volumen de los gases de combustión, temperatura máxima, temperatura de rocío, calor sensible de los humos), se comete poco error considerando aire seco en donde la

proporción entre el nitrógeno y el oxígeno es de 79 a 21% en volumen, asimilando por tanto el Argón a Nitrógeno y estableciendo el aire como la mezcla molecular siguiente:

Equivalente a

y más habitualmente para

Esta aproximación da algún error de cierta importancia cuando se pretende tener en

cuenta muy estrictamente el contenido de nitrógeno de la materia mineral.

Finalmente, para conseguir la combustión completa más próxima a la teórica y según el

estado físico del combustible (granos, polvo, líquidos, gases y dispersiones) es preciso

emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica por razones físicas de contacto



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que después detallaremos. De aquí el llamado ―exceso de aire sobre el teórico necesario‖.

Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propósito de la combustión:

1º Disminución de la temperatura máxima posible, al aumentar la cantidad de gases en

la combustión.

2º Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados, en el

nitrógeno del aire empleado.

4.2.2 VARIACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE CON LA ALTURA

Como ya se ha mencionado, el desarrollo de la tecnología de la combustión se ha preocupado más del combustible caro que del aire gratis, ignorando la importancia del

aire como flujo termodinámico, aportante de oxígeno y energía cinética, pero además

suponiendo que sus características resultan invaluables.

Siendo una mezcla de gases, el aire estará sometido a las leyes de la física como flujo

termodinámico, quedando definido en cuanto a sus características por la Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T) como sistema en equilibrio, y ocasionalmente por la

Energía Interna, Entalpía y Entropía.

Para fines prácticos el aire puede considerarse como un gas ideal, facilitando los

cálculos des estados de equilibrio mediante la Ecuación de Estado.

Se denomina ecuación de estado a la relación que existe entre las variables p, V, y T. La

ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal pV=nRT, donde n representa el número de moles, y R la constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K

mol).

A diferentes alturas respecto al nivel del mar, resultará necesario considerar las

variaciones de presión y temperatura que experimenta el aire y como influencian sus

características como comburente.

Tomando en cuenta la definición de presión de los gases, que se explica por el mayor o menor número de impactos moleculares sobre el recipiente que los contiene, podemos

utilizar este concepto de actividad molecular para justificar el mayor volumen que

ocupa la misma masa de aire a mayores niveles de altura, al liberarse parcialmente de la presión que soporta de la masa atmosférica.

Siendo la masa de oxígeno la que participa directamente en las reacciones de combustión, al disminuir la presión del aire con la altura, se puede decir que disminuye

proporcionalmente su calidad como comburente.



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En la Figura 4.7 se muestra la curva de variación de presión atmosférica con la altura.

Figura 4.7

Variación de la presión atmosférica con la altura

Un metro cúbico de aire normal (1 atm y 0°C) aporta como comburente 297 gramos de

oxígeno; a la misma temperatura , en la medida que se incrermente la altura, y

consecuentemente la presión, disminuirán sus contenidos de masa de oxígeno en la siguiente forma:

A 0 A 0 msnmmsnm : 1m: 1m3 3 ------>297 >297 grgr de 0de 022

A 1000 A 1000 msnmmsnm : 1m: 1m3 3 ------>241 >241 grgr de Ode O22







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En la Figura 4.8 se muestra la corrección del volumen del aire con la altura a diferentes

temperaturas.

Figura 4.8

Corrección del volumen del aire con la altura

Para establecer una comparación, analicemos el efecto de la temperatura sobre la

calidad del aire como comburente, apreciando como varía el contenido de masa de

oxígeno con el calentamiento:



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A 0 A 0 ººCC : 1m: 1m3 3 ------>297 >297 grgr de 0de 022

A 100 A 100 ººCC : 1m: 1m3 3 ------>216 >216 grgr de Ode O22




A 1000 A 1000 ººCC : 1m: 1m3 3 ------> 67 > 67 grgr de Ode O22

4.2.3 PODER CALORÍFICO DEL AIRE

Aunque este concepto resulte algo extraño, precisamente por el tradicional

desconocimiento de la importancia del aire en la combustión, resulta totalmente justificado y particularmente útil para evaluar y compensar su calidad como

comburente.

En la misma forma y con el mismo derecho que los combustibles, en los cuales se calcula el poder calorífico en función de su contenido de Carbono e Hidrógeno,

suponiendo que dispondrán del oxígeno necesario para completar su combustión, en el

caso del aire hemos adoptado arbitrariamente el concepto de suponer que todo el oxígeno disponible en el aire dispondrá de suficiente carbono para conseguir una



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combustión completa. En esta forma, podemos obtener el poder calorífico del aire en Kcal/Kg .

A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 890 Kcal/m

3N; al realizarse

la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir

gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico, lo que puede apreciarse en la Figura 4.9.

X

Figura 4.3

Variación del poder calorífico del aire con la altura

En la misma forma, al incrementarse la temperatura del aire disminuirá su calidad como

comburente, pero se incrementará su entalpía. La comparación entre la variación de

ambos parámetros la efectuaremos al analizar la función termodinámica del aire en la combustión.

4.3 LA FUNCIÓN MECÁNICA DEL AIRE EN LA COMBUSTIÓN



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Al analizar la combustión como proceso fisicoquímico se estableció que los 3

principales factores que determinan la calidad de la combustión son la cinética química

de la reacción, la mecánica de fluidos que determina las condiciones de mezcla y turbulencia, y la termodinámica que establece las condiciones de transferencia de calor

a la operación o proceso para el cual se efectúa la combustión y liberación de calor. El

aire resulta protagonista en los 3 casos, pero probablemente la función más importante que cumple en la combustión sea el aporte del impulso que proporciona la energía

cinética requerida para establecer las condiciones de mezcla y turbulencia que permitan

asegurar combustión completa y la formación de llama que convenga a cada reactor y proceso.

Para cumplir este propósito, el aire debe recibir el impulso que asegure las condiciones

de suministro previstas en el diseño del quemador, pudiendo requerir para ello de un

ventilador, soplador o compresor, según sea el caso y el trabajo que deba realizar.

Las principales funciones mecánicas que realiza el aire en los sistemas, circuitos y

procesos de combustión, son los siguientes:

4.3.1 Aire primario

Aporta la energía cinética requerida para formación de llama, es decir, determinar la

forma en que se desarrolla la combustión, para lo cual puede requerir una gran potencia, cuando se utiliza combustibles muy difíciles de quemar, o relativamente poca, cuando

se utiliza gas natural o GLP, que quemándose con mucha facilidad, a veces requieren

demorar la mezcla para tratar de alargar el tiempo de reacción y mejorar la emisividad de llama.

Para definir con claridad y sencillez el trabajo del aire primario, hemos determinado la conveniencia de utilizar 2 parámetros que pueden ser aplicados en el diseño de

quemadores o para la evaluación de quemadores que se encuentren instalados y

operando, para evaluar y optimizar su funcionamiento: Potencia específica, expresada

con Newton/ Gcal, y Swirl (fuerza rotacional), que representa el % del impulso total que

tiene efecto rotacional. La validez y utilidad de estos parámetros la hemos podido comprobar en cientos de proyectos de optimización de la combustión en plantas

industriales.



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Figura 4.9

Ingreso de aire primario al

quemador Pitojet de KHD -

Cálculo de la Potencia Específica : N/Gcal

Los Newtons se calculan multiplicando el flujo másico (kg/seg) por la velocidad en

la boquilla del quemador (m/seg). El resultado es el Impulso Total en Kg-m/seg2

(Newtons).

Las Gcal representan el cálculo del poder calorífico del combustible quemado en 1 hora. La relación entre ambos nos dará la Potencia Específica en N/Gcal.

La potencia específica para cada quemador dependerá del tipo de quemador, el combustible utilizado, el porcentaje del aire primario total, etc. En los casos que el

aire también tiene que proporcionar el aire forzado para empujar los gases de

combustión, la potencia será mayor. La experiencia nos ha enseñado que cada quemador individual debe ser caracterizado y definido en cuanto a la potencia más

conveniente.

Cálculo del Swirl

Para el cálculo del swirl se aplica la siguiente fórmula:

Swirl : Ir . Tg R . (d e – d i) / It . D

Donde: It : Impulso total

Ir : Impulso rotacional

Tg : Tangente de la roseta D: : Diámetro externo total

di y de : Diámetros interior y exterior de la roseta de giro.

Los valores de Swirl para quemadores normales varían entre 10 y 40%, pudiendo

utilizarse valores mayores para conseguir llamas muy cortas, no necesariamente más

anchas, si se dispone del diseño que permita formar llamas cónicas huecas.

4.3.2 Aire de atomización



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En algunos quemadores de combustibles líquidos se utiliza el aire como fluido

pulverizador para atomización del combustible, presentándose en la práctica dos tipos

de diseños que utilizan el aire para atomizar:

Quemadores de atomización con fluido auxiliar, que puede ser aire comprimido o vapor, para el caso de calderos. La presión normal del aire de atomización es

de 4-6 bares.

Quemadores de atomización por aire a baja presión, en el cual todo el aire lo

proporciona un ventilador que impulsa el aire total de combustión, que a su vez atomiza el combustible que sale en forma lateral o radial de la boquilla. El

quemador Hauck es el caso típico y tuvo buenos resultados para combustibles

sucios y trabajos muy estacionarios del quemador. (Figura 4.10)

Figura 4.10

Quemador Hauck

4.3.3 Tiro forzado

En la mayoría de Calderos Pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeños, el ventilador del quemador debe proporcionar, además del aire de combustión y la energía

para formación de llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta

la base de la chimenea, a partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural creado por la chimenea, para eliminar los gases de combustión a la atmósfera.

En este tipo de sistemas, la capacidad de los calderos y hornos queda totalmente

definido por la capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presión estática

en la descarga que proporcione el impulso (potencia) necesarios para formación de ll ama y circulación de los gases de combustión..

4.3.4 Aire de transporte y control

El transporte neumático resulta una importante posibilidad para un inmenso espectro de

operaciones que se efectúan en sistemas de combustión, principalmente de sólidos.



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En instalaciones de carbón pulverizado con sistemas de combustión directo o indirecto,

se debe transportar el carbón del molino o silo al quemador. Para ello se utiliza un

sistema de transporte por aire soplado que mantiene las partículas de carbón en suspensión, debiendo mantener velocidades suficientes para evitar depósitos de carbón

pero las mínimas necesarias para evitar la abrasión en las tuberías ( 20 - 30 m/seg)

También para eliminación de cenizas el transporte neumático representa una solución

práctica y ecológica (Figura 4.6)..

Figura 4.11

Transporte neumático de carbón

Aunque la instrumentación neumática ya se utiliza poco,

en algún momento representó la mejor opción; el

empleo de aire soplado y comprimido para cualquier tipo de accionamiento de control operativo o seguridad

siempre representa una posibilidad.

4.3.5 Ventiladores, Sopladores y Compresores

Todo en el universo es materia y energía. Vivimos inmersos en una gran masa de aire, a

nuestra disposición para aprovecharla en 3 funciones específicas: Químicas, aprovechando su contenido de oxígeno, que representa el 21 % de su volumen (23% en

masa) como comburente; mecánicas, utilizándolo como flujo dominante en la

gasodinámica de la combustión; termodinámicas, como medio para transferencia de calor.

Para cualquiera de estas funciones se tiene que captar un determinado flujo de aire de la atmósfera y proporcionarle la forma y cantidad de energía que resulte adecuado para

transportarse, ser introducido en un sistema establecido y efectuar un trabajo

determinado. Los equipos que se utilizan para esta tarea son ventiladores, sopladores y/o compresores

Estos equipos utilizan un motor, para convertir la energía eléctrica en la energía mecánica de giro del rotor, que se transmite al eje donde se encuentra conectada una

turbina con álabes que impactan y desplazan el aire contenido en el interior de la

carcasa, provocando una corriente de succión en la admisión y convirtiendo la energía mecánica en energía cinética que se manifiesta en el impulso del flujo en la descarga.



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La presión estática en la descarga define la nominación del equipo utilizado:

Un ventilador generalmente se utiliza para mayores caudales y menores presiones (hasta 120 mBar)

Entre 120 y 200 mBar se encuentran los llamados turbo ventiladores que

constituyen una interfase entre ventiladores y sopladores, muy convenientes para sistemas de combustión más exigentes.

A partir de 200 mBar y hasta 1 Bar, se denominan sopladores, siendo equipos con mayores presiones y menores caudales.

Equipos con más de 1 Bar en la descarga ya puede ser considerado un compresor y requiere criterios distintos de diseño.

Figura 4.12

Ventiladores, sopladores y compresores

Existen 2 tipos de ventiladores utilizados en la industria: centrífugos y axiales, siendo

los primeros los más utilizados en sistemas de combustión y los axiales en sistemas de ventilación.

En cuanto a los diseños de la forma de los álabes, lo cual determina las formas de las curvas de operación de los ventiladores, pueden ser rectos, curvados hacia adelante o

atrás. En sistemas de combustión generalmente se utilizan los de álabes rectos por

ofrecer flujos más estables, prefiriéndose los de aletas curvadas cuando se maneja flujos sucios, o se requiere condiciones especiales de presión.

La capacidad de un ventilador queda determinada por el caudal de aire que desplaza, la

presión que le imprime al flujo y la potencia que absorbe el motor para efectuar este

trabajo. Estas características quedan perfectamente definidas en la curva de diseño del

ventilador o soplador (Figura 4.13) .

En términos generales, para seleccionar un ventilador se debe establecer el caudal

requerido y calcular la presión mínima necesaria en la descarga para asumir las pérdidas

en el circuito de descarga y ejecutar el trabajo que debe realizar en un sistema determinado. Conociendo estos parámetros, se deberá elegir el modelo adecuado en el

catálogo del fabricante o proveedor, en el cual ya está definida la potencia de motor

requerida.



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En sistemas de combustión resulta una buena práctica definir las características del

suministro de aire requeridas en cuanto a impulso y caudal, así como el margen de

regulación de ambos, establecer las pérdidas de presión en el circuito de transporte al quemador y el sistema de regulación de flujo en la succión, mediante una persiana y/o

la descarga, generalmente utilizando un dámper .

Figura 4.13

Curvas típicas de diseño de ventiladores

Normalmente, la presión requerida en el quemador representa 2/3 de la presión total, correspondiendo 1/6 a la válvula de regulación y 1/6 al circuito de transporte..

Las leyes de los ventiladores permiten asumir el comportamiento del sistema cuando se

modifican los parámetros de diseño y características del fluido.

Siendo: N = Velocidad

Q= Caudal D= Diámetro

d= Densidad del fluido

H= Presión estática



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P= Potencia del motor

La Ley 1-2-3

Para el mismo ventilador, manipulando el mismo gas (D y d constantes) , N variables:

Q es proporcional a la velocidad, N1

H es proporcional a la velocidad al cuadrado, H2

P es proporcional a la Potencia al cubo, P3

La Ley de Densidad

Para el mismo ventilador, operando a la misma velocidad, manipulando gases

diferentes (D y N constantes, d variable):

Q es el mismo

H ) (en unidades de presión) es proporcional a la densidad H/d (carga en pies de fluido) es la misma

P es proporcional a la Densidad

La Ley de Similaridad

Ventiladores similares operando a la misma velocidad, manipulando el mismo gas ( d y DN son constantes):

Q s proporcional a D2

H ( en unidades de presión) es la misma

P es proporcional a D2

Como un ejemplo de la aplicación de estas leyes, podemos comprobar que no resulta conveniente aplicar convertidores de frecuencia para operar ventiladores en sistemas de

combustión, porque el caudal varía proporcionalmente con las RPM, pero la presión

estática varía al cuadrado. Al disminuir la velocidad para regular el caudal de aire en llama baja, el impulso disminuirá al cuadrado, con lo cual la llama se desarma, aunque

permita ahorrar energía, al disminuir la potencia absorbida por el motor al cubo.

4.4 FUNCIÓN TERMODINÁMICA DEL AIRE EN LA

COMBUSTIÓN

La disponibilidad libre y permanente del aire atmosférico, generalmente limpio y

estable, lo convierte en el fluido termodinámico favorito para sistemas de intercambio térmico en general.



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En sistemas de combustión, las funciones termodinámicas del aire se extienden desde la precombustión hasta la salida de gases quemados al ambiente.

4.4.1 Conceptos Termodinámicos

Para entender la importancia que reviste en todos los aspectos vinculados con la

combustión, resulta necesario definir con propiedad algunos conceptos:

¿Qué es el calor?

Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que

impregnaba la materia y que los cuerpos lo absorbían o desprendían según los

casos.

La llama que se observa en esta vista es una manifestación del calor, pero no

es el calor.

El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos

del a través de sus diferentes manifestaciones

Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de

que cuanto más roma estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor

estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se

desmenuzara la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revé

(Benjamín Thomson - Conde Rumford).

¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la

broca se transformaba en calor!

http://www.rumford.com/Rumford.html



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El calor es por lo tanto una forma de energía. Es la "energía calorífica". Un

inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo.

El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de

átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los

átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si

mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece

(a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se

transforma en energía (E=mc2)

El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o

energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las

partículas que la forman.

La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que

podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar.

Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos

(energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.

El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor

temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una

diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura,

el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos

conceptos, calor y temperatura, están relacionados.

Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es

favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio

térmico.

http://www.energy.ca.gov/education/scientists/joule.html

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/EquilibrioTermico/equilibrio_termico.htm





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El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de

calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro.

Es una energía degradada, ya que es imposible recuperar toda la energía

mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica

haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando

parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una

parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío.

Los rendimientos de las máquinas se calculan por la relación de temperaturas

entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100%

R =(T1-T2)/ T1

¿Cómo se genera el calor?

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de

una forma a otra.

Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca

transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras

transformaciones de energía.....

La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera

fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía.

Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el

infrarrojo.

Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo absorben (endotérmicas).

La electricidad circulando por una resistencia la calienta.

Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calo al

deformarse.

http://www.fh-brandenburg.de/~piweb/projekte/thermo_galerie_eng.html





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Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día.

Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa.

Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite en el aire: las ondas transportan energía.

¿Cómo se mide el calor?

El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la

escala de Celsius de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo

que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de

las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy

poco su temperatura.

Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante

entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud

terrestre.

La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse"

incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud

llamada "calor específico" (Ce) : calor que necesita 1 g de sustancia para

aumentar 1 grado su temperatura.

En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado.

Caloría

Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente

1º su temperatura" (más exactamente para pasar de 14,5 º a 15,5º)

Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su

equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía

mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de

energía el julio (1 caloría = 4,18 Julios ).

En el S.I. el Ce (agua) = 4180 J/kg ºK.

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/historia/historia.htm#joule



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Cada sustancia tiene un calor específico característico, casi siempre mucho

menor que el del agua.

Capacidad calorífica

Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua

depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El

producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica".

Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incrementa su

temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la

sustancia para "encajar" el calor.

El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta

sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere.

Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor

cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:

Qv = mcuerpo · Ce (cuerpo) . ( TF - TI)

Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al

calor, es decir su Ce, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su

temperatura) antes y después de recibir o perder calor.

A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es

lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la

fusión del hielo. Si suministramos calor a una mezcla formada por hielo fundido

y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del

agua no se incrementa.

La fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada

cantidad de calor es:

Qv = m. L fusión

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/CambioEstado/cambioEstado.htm



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Donde L fusión es el calor latente de fusión expresado en J/kg , una cantidad

característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para

separar la moléculas al pasar de sólido a líquido.

4.4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR

La mejor forma de diferenciar las formas de transferencia de calor resuta literalmente cierta: El calor ―vuela‖ por radiación, ―fluye‖ por convección y camina por

―conducción‖.

Transferencia de calor por CONDUCCIÓN.

En un sólido opaco y homogéneo, es la transferencia de calor de una parte a otra del

sólido, causada por la existencia de una diferencia de temperatura, sin que se produzca desplazamiento de materia. La conducción implica la transferencia de energía cinética

de una molécula a otra adyacente, siendo éste el único mecanismo del flujo calorífico en

un sólido.

Por ejemplo, la transmisión de calor a través de los ladrillos de un horno o de la envolvente metálica de un caldero, se efectúa por conducción desde la parte interior

hacia la exterior. En sólidos transparentes (ejemplo: el vidrio), parte de la energía se

transfiere por radiación y parte por conducción.

La transmisión de calor por conducción está regida por la Ley de Fourier, que en el

caso de flujo unidireccional viene dada por la siguiente expresión :

Qc = U . A. (T1 – T2) = A. (T1 – T2) = A. tl — t2 (Kcal/h x m2)

e/k R

Donde:

Q = calor transmitido por conducción por m2

y hora (Kcal/h.m2)

T1 = temperatura de la zona más caliente (0C)

T2 = temperatura de la zona más fría (0C)

k = conductividad térmica del material (función de la temperatura) (Kcal/h x m

2 °C

e = espesor del sólido en la dirección de la transmisión (m)

R = resistencia térmica del sólido (ºC x h x m2)

Kcal



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La transferencia de calor por conducción:

aumenta cuando aumenta la conductividad térmica del material.

aumenta cuando aumenta la temperatura de la zona más caliente.

aumenta cuando disminuye la temperatura de la zona más fría.

disminuye cuando aumenta el espesor.

Figura 4.14

Transferencia de calor por conducción

a través del metal de la olla

Transferencia de calor por CONVECCIÓN

La transmisión de calor por convección se refiere generalmente a a la transferencia de calor desde la superficie límite de un sólido a un fluido, debido a las diferencias de densidad entre las zonas calientes y frías del mismo (convección natural), pudiendo favorecerse este movimiento por medios mecánicos (convección forzada).

Para calcular el calor transmitido por convección se aplica la fórmula:

Q = hm . (ts – tm) = ts - tm = ts - tm (Kcal/h x m2)

1 R hm

Donde: Q = Calor transmitido al fluido desde la superficie de un sólido por m

2 (Kcal/h . m

2).

H = coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido sin incluir la energía radiada

(Kcal/h x m2 º

C)

ts = temperatura de la superficie del sólido (0C)

tm = temperatura media del fluido (

0C)

R = resistencia térmica 0C x h x m

2

KcaI



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La transferencia de calor por convección:

- aumenta cuando aumenta ts - aumenta cuando disminuye tm

- aumenta cuando aumenta el valor de hm

El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fácil de determinar

teóricamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y correlaciones utilizando la teoría de modelos y números adimensionales.

Varía con:

- Las propiedades físicas del fluido (conductividad térmica, densidad, calor

especifico, viscosidad). - Dimensiones del aparato

- Velocidad del fluido

- Existencia de cambio de fases - incremento de temperaturas

Figura 4.15

Transferencia de calor por convección entre los gases que fluyen y las paredes

de los tubos y entre la masa de agua fría y caliente en el interior del tanque.

Transferencia de calor por RADIACIÓN.

Es la transferencia de calor mediante energía radiante que parte de la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita de un soporte material. Cuando

esta energía alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra parte puede ser

transmitida a través del cuerpo receptor, cuando es diatérmico y finalmente el resto es



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absorbida. La radiación térmica se asocia a una radiación electromagnética con un intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100 micras.

Para calcular el calor transmitido por radiación se aplica la fórmula:

Q = c. e. (T14 - T2

4) Kcal/hm

2

en donde:

Q : calor emitido por radiación por m2

y hora (Kcal/h.m2)

Kcal

C = constante de valor = 4,88 x 10-8

h.m2. 0

K4

e = emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante.

T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (

0C + 273)

T2 = Temperatura del cuerpo receptor °K (0C + 273)

Figura 4.16

EMISIVIDAD DE LLAMA

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

2 4 6 8 10 12 14 16

RELACION (C/H)

EM

ISIV

IDA

D

GAS NATURAL

PETROLEO

CARBON



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Figura 4.17

Transferencia de calor por radiación de la llama

a las paredes y el material en proceso

4.4.3 PÉRDIDAS DE CALOR AL AMBIENTE

Vivimos inmersos en una gran masa de aire que nos rodea y envuelve, influenciando

directamente todas las formas de vida y actividades sobre la tierra.

Termodinámicamente, representa el medio que establece las condiciones de presión y

temperatura hacia las cuales se orienta el equilibrio total.

Desde el punto de vista de la combustión, se definen como pérdidas termodinámicas de

cualquier sistema, las que se producen por transferencia de calor por convección y radiación al medio ambiente.

En la medida que se aísle un sistema del ambiente, disminuirá su influencia atmosférica sobre las condiciones termodinámicas internas:

Una combustión abierta, con llama expuesta, tendrá las máximas pérdidas de calor por convección y radiación.

En equipos térmicos con procesos de combustión como fuente de calor, las

pérdidas al ambiente dependerán del nivel de aislamiento de la llama y las superficies de intercambio térmico respecto al aire exterior.



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Los niveles de exceso de aire en la combustión resultan determinantes en las

pérdidas de calor con los gases de combustión.

En Calderos Pirotubulares bien aislados las pérdidas termodinámicas

inevitables representan alrededor del 12-14 %, estableciendo el nivel máximo de eficiencia posible del sistema.

En Calderos Acuotubulares que manejan niveles termodinámicos más altos, tienen mayores superficies de intercambio y menores niveles de coeficientes de

transferencia de calor por convexión interna, los niveles de pérdidas por radiación, convección y gases de chimenea puede llegar a 14-16%.

En todo tipo de Hornos, las pérdidas de calor al ambiente estarán determinadas por la intensidad térmica de los procesos, los niveles de aislamiento y la

regulación operativa. Los niveles de pérdidas termodinámicas quedarán establecidos en el diseño del Horno.

Como criterios prácticos de aplicación general, podemos a asumir los siguientes:

A) El aislamiento económico de un equipo y/o sistema de combustión puede

comprobarse colocando la mano sobre las superficies exteriores. Si se puede mantener el contacto durante 5 segundos, el aislamiento resulta suficiente y

adecuado, resultando el nivel de pérdidas al ambiente menos importante que el

costo de un aislamiento mayor.

B) Para el cálculo del nivel de pérdidas por radiación, se puede considerar

suficientemente preciso para instalaciones industriales un coeficiente de pérdidas por radiación y convección de superficies metálicas expuestas al medio

ambiente una pérdida de 0.5 Kcal/m2..h..°C, representando generalmente entre 2

y 3 % en calderas y 3 a 5 % en hornos.

Figura 4.18

Aislamiento térmico en Refinerías

4.4.4 REFRIGERACIÓN Y ENFRIAMIENTO POR AIRE



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La disponibilidad permanente y gratis del aire, además de sus bajos niveles de coeficiente térmico, lo convierten en el refrigerante y/o enfriador ideal para sistemas de

combustión y procesos industriales en general. Analicemos algunas de sus aplicaciones

más frecuentes:

En el diseño de quemadores que deben trabajar en el interior de hornos con procesos térmicos muy exigentes, tales como los cementeros, de vidrio,

siderúrgicos, metalúrgicos, etc., el Flujo de aire primario y secundario a través

del propio quemador permite proteger los materiales del cuerpo del quemador, manteniéndolos por debajo de sus puntos de fatiga térmica.

Figura 4.19

Quemador con oxígeno

refrigerad por aire

En el diseño de cámaras de combustión para generación de gases para secado (muflas) se considera la concentración central de la llama y la introducción de

parte del aire de dilución, necesario para bajar las temperaturas de llama

(1200°C o más) a las requeridas para secadores (menos de 300°C), en un anillo exterior refrigerante que protege al refractario.



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Figura 4.19

Aire de dilución de gases

para secado

La refrigeración exterior de la chapa del horno mediante ventiladores para alargar campañas de operación resulta un argumento extremo pero efectivo. En

realidad lo que se hace es incrementar la velocidad del aire en la zona afectada, uno de los parámetros en la fórmula de Stefan Boltzmann para cálculo del calor

trasferido por radiación y convección, acelerando el gradiente térmico.

Figura 4.20

Horno Rotatorio refrigerado

externamente por aire

Los materiales aislantes que permiten guardar el calor en el interior de los

sistemas y equipos de combustión deben su capacidad aislante a la presencia de aire en los poros, lo que los hace materiales livianos, a diferencia de los

materiales refractarios que soportan más el calor cuando son mas compactos y

pesados. Sin embargo, la capacidad aislante del aire disminuye en la medida que se produce el movimiento que favorece la convección.



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Figura 4.21

Lana mineral aislante

El enfriamiento de los productos de procesos industriales permite, además de

proteger a los sistemas de transporte, recuperar calor y recircularlo al proceso como aire secundario.

Figura 4.22

Enfriador de Parrilla con aire



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4.4.5 RECUPERACIÓN DE CALOR

La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma y

deberíamos aprovecharla en todas sus formas. Solamente

resultan pérdidas de calor justificables las termodinámicamente

irrecuperables.

El aprovechamiento del calor liberado en la combustión completa debe ser transferido y

depende de la eficiencia de esta operación el nivel de eficiencia del sistema, existiendo siempre la posibilidad de recuperar el calor que se pierde al ambiente. La posibilidad

técnicamente más razonable resulta aprovechar este calor para precalentar el aire

requerido por la combustión, pero debe tomarse en cuenta que al calentar el aire disminuye su densidad, lo cual afecta las funciones que cumple el aire en la combustión.

Aparentemente siempre resultará buen negocio recuperar calor que se pierde al ambiente y recircularlo a la misma fuente de calor, ahorrando combustible, pero debe

tomarse en cuenta que al calentarse el aire disminuyen su calidad como comburente y

el impulso del aire primario que aporta la energía cinética para la mezcla.

Para mostrar con objetividad la conveniencia de recuperación de calor a través del aire

de combustión efectuemos una evaluación comparativa de lo que representa el calor recuperado y cuanto se afecta la calidad del aire para la combustión, comparando tal

efecto con el que se produce al disminuir la presión con la altura.

Analicemos algunos casos:

Para un caldero de vapor pirotubular de 300 BHP que consume 84 Galones/hora

(nominal) de Fuel Oil o Residual 6, equivalente a 300 kg/h de combustible con 20% de exceso de aire y un consumo de 3790 m

3N de aire, equivalente a 4888 kg/h de aire:

Al calentar 10 °C el aire de combustión: 10 °C . 0.25 Kcal/Kg.h.°C = 2.5 Kcal/Kg.h

2.5 Kcal/Kg. 4880 Kg = 12220 Kcal/h

Ahorro: 1.25 Kg de R-6/h = 0.6 US$/ año. 5000 h/año = US$ 3.000/año

Instalando un Intercambiador de calor que incremente 50°C la temperatura del aire se

ahorrarían US$ 15.000/año.



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Al aumentar 50°C la temperatura del aire su densidad disminuirá proporcionalmente, requiriéndose 1.18 veces más de volumen de aire (14.9 m

3/kg), debiendo tomarse las

precauciones necesarias para compensar la caída de presión en el circuito, para asegurar

la disposición de masa suficiente de oxígeno y el incremento de turbulencia necesario para asegurar com bastión completa.

Comparativamente, al calentar 50°C la temperatura del agua, en el mismo caldero:

4700 kg/h . 1 Kcal/kg.°C . 50°C = 1437.000 Kcal/h

Ahorro estimado: US$ 70.000/año . Esta comparación explica la ventaja de instalar

economizadores y no recuperadores de calor en calderos.

Figura 4.23

Economizador para Calderos

En el caso de hornos, la recuperación de calor debe ser considerada desde la concepción

del proceso y las operaciones que comprende el sistema, tomando en cuenta que lo que trabaja siempre es la masa de aire, resultando el volumen que ocupa solamente una

condición circunstancial.

Una buena comparación para apreciar el verdadero efecto del calentamiento del aire

sobre su calidad como comburente resulta de comparar en el Gráfico de la Figura 4.8 el

efecto sobre el aire de la altura y la temperatura.



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4.5 COMBUSTIÓN EN ALTURA

La selección equivocada del tipo de quemador para sus hornos a 3800 s.n.m en el Complejo Metalúrgico más importante del mundo (Cerro de Pasco, Centromin

Perú y Doe Run sucesivamente) determinó que se opere ineficientemente durante

70 años y que La Oroya se convierta en la ciudad mas contaminada del mundo

El desarrollo de la tecnología de la combustión ha sido efectuado para condiciones normales, desconociendo la notable variación de características que reviste la combustión en altura.

En realidad la modificación de condiciones operativas origina en la variación de las

características del aire, porque el combustible sólido y líquido se afecta muy poco, y los

gases se manejan a presiones ajenas a la atmósfera, por distribuirse y utilizarse en

sistemas y circuitos aislados.

El efecto de la altura sobre las características del aire ya ha sido establecido t se han determinado las acciones que permiten compensar la deficiencia del aire en altura, para

no afectar la calidad de combustión en equipos diseñados para operar en condiciones de

presión y temnperatira de aire normales.

En este punto analizaremos su efecto sobre las condiciones que se presentan en los

sistemas de combustión interna y externa en plantas industriales ubicadas por encima de 1000 metr0os sobre el nivel del mar..



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4.5.1 Influencia de la altura sobre la Operación de Calderos Pirotubulares

En un caldero pirotubular la capacidad de producción de calor depende fundamentalmente del suministro de masa de aire para la combustión y la capacidad

para circular y extraer los gases de combustión. Generalmente el quemador aporta todo

el aire de combustión y el tiro forzado suficiente para desplazar los gases hasta la base de la chimenea, donde se regula el tiro con el dámper y se elimina los gases con el tiro

natural.

Al operar un caldero normal en altura se afectan los siguientes factores :

La capacidad del caldero quedará limitada por la disminución de masa de oxígeno para la combustión, determinando una disminución de la capacidad real

del caldero para generación de vapor. Por ejemplo: Un caldero de 300 HP tiene una capacidad nominal de generación de vapor de 5000 Kg/h; instalado a 3000

m.s.n.m de altura solamente podrá producir 3250 Kg/h, resultando equivalente a

un caldero de 200 BHP, desde el punto de vista del defecto de aire como comburente.

La disminución del flujo másico de aire para proporcionar el impulso necesario

para mezcla y desplazamiento de gases podría ser compensado parcialmente por la mayor velocidad de ingreso del aire, solamente si el ventilador tiene la

capacidad (presión estática en la descarga), para compensar la caída de presión

consecuente, de lo contrario, también podría limitar la producción de calor y vapor en un porcentaje adicional.

Para compensar el fenómeno de altura tendría que reemplazarse el ventilador por otro de mayor caudal y presión, probablemente un turbo soplador (120 –

200 mBar), pero no podría mantenerse las condiciones de eficiencia debido a la aceleración del paso de los gases a través de la zona convectiva.

La eficiencia del caldero podría afectarse en mayor proporción cuando se utilice combustibles difíciles de quemar en los cuales resulte fundamental la calidad de

mezcla. Cuando la forma de atomización depende del aire atmosférico la

operación podría resultar imposible de optimizar por no poderse conseguir una atomización perfecta

Los fabricantes de equipo pretenden compensar las deficiencias del aire en altura vendiendo equipos de mayor capacidad, obteniendo mayores beneficios económicos.



Página | 96

La adecuada selección de ventiladores con suficiente capacidad para compensar la disminución de presión en altura y/o la modificación de los existentes, resultará

suficiente para alcanzar similares condiciones operativas que en condiciones normales.

4.5.2 Influencia de la altura sobre la Operación de Calderos Acuotubulares

En Calderos Acuotubulares el problema químico sería similar, dependiendo la

extracción de gases del sistema de circulación (forzado o inducido). En este caso también podría afectarse la transferencia de calor por radiación si disminuye la

temperatura de llama, lo que podría suceder por falta de intensidad de mezcla.

Respecto a la calidad de transferencia de calor también se vería afectada por el mayor

volumen de gases inicial, resultando necesario incrementar la succión para compensar el aumento de presión en el hogar. Debe tomarse en cuenta que en un caldero pirotubular

el 80-85% se transfiere por convección, mientras que en acuotubulares la proporción de

calor transferido por radiación aumenta proporcionalmente con su capacidad hasta llegar a un 85 %. Un caldero acuotubular de 50 TM/hr transfiere 50/50 % de cada uno

de los tipos de transferencia de calor.

La compensación del aporte de mayor volumen de aire y/o incremento de presión podría

aumentar la velocidad de circulación de gases, afectando la eficiencia del sistema y

poniendo en riesgo los tubos del economizador en casos extremos.

En calderos acuotubulares la complicación del trabajo del quemador y la formación de

llama puede también complicarse, pudiendo afectar la integridad de los tubos en caso de ancharse o alargarse la llama, ocasionando el impacto de llama sobre tubos o estructuras

metálicas y/o refractarias dentro del caldero.

La misma compensación anotada para calderos pirotubulares y el asegurarse de que el

quemador tenga capacidad para formar llama cónica hueca, resultarán suficientes

para optimizar el sistema.



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Figura 4,24

Quemador de atomización y formación de llama

con aire a baja presión, inadecuado para operar

en altura.

4.5.3 Influencia de la altura sobre la Operación de Hornos de Proceso

En el caso de hornos de procesos, la influencia de la altura dependerá del tipo de quemador empleado.

La sustitución de un soplador por un ventilador puede compensar la deficiencia de masa, incrementando la presión de suministro, pudiendo modificarse el diseño del

quemador que determina la forma de llama : Potencia Específica y Swirl.

Cuando el quemador es del tipo de atomización por aire a baja presión, el problema

resulta muy grave, porque la deficiencia de masa y consiguientemente de impulso resultará insuficiente para conseguir la atomización perfecta que resulta necesaria para

conseguir atomización completa con combustibles líquidos.

Un caso típico es el del quemador Hauck, que utiliza el aire del ventilador para atomizar

combustibles líquidos (Figura 4.25). A la deficiencia de aire de atomización se le

agrega la insuficiencia de masa de oxígeno para la combustión y falta de impulso para desplazamiento de los gases quemados y la operación del quemador Hauck en altura

resulta muy deficiente.

Para compensar tales deficiencias resulta imprescindible sustituir el ventilador por un

turbo ventilador que proporcione toda la masa de aire e impulso requeridos.

Adicionalmente y en forma adecuada para cada proceso, se debe efectuar las modificaciones que resulten necesarias el el circuito de gases y transferencia de calor.



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4.5.4 Influencia de la altura sobre la Operación de Motores Endotérmicos

Los motores de combustión interna se afectan con la altura en la medida que disminuye la presión de admisión, pero compensando este factor mediante un sistema de turbo

compensación, el desarrollo interno de la combustión resulta similar o mejor al que se

consigue en condiciones atmosféricas normales.

Los equipos de uso más generalizado de esta clase son los motores Diesel y las turbinas

de gas.

En los motores Diesel la influencia de la altura se manifiesta por efecto de la disminución de la presión y la densidad, debiendo compensar tales

deficiencias con turbo compresores.

En turbinas, las deficiencias de altura deben ser compensadas en la

capacidad de los compresores de aire, para asegurar que la masa que impacta los álabes resulte similar a la prevista para su operación en la

consta.

4.5.5 Enriquecimiento del aire con oxígeno

En las funciones del aire en altura y en procesos que requieren elevadas temperaturas de

operación, se puede justificar el enriquecimiento de aire con oxígeno para normalizar

su comportamiento o elevar la temperatura de llama para conseguir mayores velocidades de calentamiento y menores tiempos de fusión.

El enriquecimiento del aire se puede efectuar mediante los siguientes procedimientos:

Enriquecimiento general del aire de combustión

Consiste en inyectar oxígeno a la salida del ventilador, efectuando la dosificacion en

forma másica. Tomando en cuenta que la combustión con oxígeno representa tener una temperatura de llama de 3200-3400 °C (adiabática), al disponer de la posibilidad de

controlar la temperatura de llama que más convenga para cada caso, e incluso variar el

flujo para cada fase del proceso, se puede instalar un sistema de regulación automático.



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Como un ejemplo, a 2350 metros de atura, el contenido másico del aire atmosférico será de 235 gr/m

3, para disponer de un comburente normal, se tendría que adicionar la msa

de oxígeno necesario para tener una mezcla con 23/ en masa.

Inyección directa de oxígeno en la llama

En esta técnica se utiliza la inyección a alta velocidad de oxígeno en el cuerpo de la

llama, con el propósito de pueden conseguir una elevación de temperatura de la misma,

favoreciendo la transferencia de calor por radiación.

En la práctica se confrontan dos grandes in convenientes: Se quema el tubo de oxígeno,

al ser expuesto a las temperaturas del hogar; se produce convección en la llama al producirse zonas calientes de llama en la zona de inyección, lo cual podría producir una

desviación de llama, en algunos casos peligrosa.

Empleo de un quemador auxiliar oxi-fuel

Los quemadores oxi-fuel inyectan una llama de alta temperatura en el cuerpo de la llama principal, confrontando los problemas de alta radiación a las zonas circundantes y la

tendencia a la retrollama.

En la Figura 4.25 se muestran los sistemas que se emplean con oxigeno.

Figura 4.25 Combustión con Oxígeno



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Capítulo 5

Caracterización del Gas Natural como combustible industrial

5.1 Origen y tratamiento del gas natural

.

El Gas Natural es una mezcla de

hidrocarburos parafínicos, que incluye el

Metano (CH4) en mayor proporción, y

otros hidrocarburos en proporciones menores y decrecientes. Esta mezcla generalmente

contiene impurezas tales como vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno y helio.

Hasta el presente se presume que el petróleo y el gas se han formado como resultado de

variaciones sufridas por la materia orgánica proveniente de animales y vegetales, debido

a la acción bacteriológica y a elevadas temperaturas y presiones producidas durante millones de años, por efecto del asentamiento de las capas de sedimentos que la

contienen (Figura 5.1).

El gas, como el petróleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos

de ciertas rocas, en estructuras geológicas llamadas yacimientos los cuales pueden ser

de tres tipos:

a) Yacimientos de gas asociados, donde el producto principal es el petróleo.



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b) Yacimientos de gas seco o libre, donde el producto principal o único es el gas mismo.

c) Yacimientos de condensados, donde el gas se encuentra mezclado con hidrocarburos líquidos y a este tipo de gas se le denomina gas húmedo.

El gas natural proviene de acumulaciones subterráneas, producidas por una prolongada

descomposición bacteriana de la materia orgánica. No comprende un solo gas, sino

muchos y no necesariamente se presenta en forma gaseosa, sino que, en determinadas condiciones, algunos de estos gases se encuentran en forma líquida. La combinación

exacta en la que se encuentran los diversos gases depende de la historia geológica de la

zona que contenga el depósito de gas en cuestión. De cualquier forma, se puede decir que siempre el gas natural se presenta o en combinación con petróleo crudo, y entonces

se conoce como gas asociado, o en ausencia de petróleo crudo, y es conocido como gas

no asociado.

En el caso de que un yacimiento de petróleo contenga gas asociado, una parte del gas se

encuentra disuelto en el petróleo crudo y entonces se le conoce como gas en solución. Sin embargo, una proporción del gas asociado forma una capa separada y superpuesta al

petróleo crudo, pero es incapaz de filtrarse a la superficie de la tierra por encontrarse

cubierto por un denso estrato rocoso y forma una especie de "gorra" o casquete del yacimiento de petróleo.

Figura 5.1

Yacimientos de hidrocarburos

El gas asociado comprende metano, etano, gases licuados del petróleo (GLP) y algunos compuestos más pesados. El etano y los GLP se denominan conjuntamente gas natural

líquido (GNL), mientras que los GLP comprenden fundamentalmente propano y butano.

Aunque tanto el gas asociado como el no asociado se caracterizan por una alta proporción de metano con relación al GLN, se puede decir que en el no asociado la

proporción de metano contenido es relativamente mayor y menor la de GNL, por lo que

al gas no asociado se le conoce frecuentemente como ―gas seco‖ y al asociado como



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―gas húmedo‖. Sin embargo, si la parte de gases naturales líquidos que se presenta con metano en ausencia de petróleo crudo es relativamente alta, los productos se llaman

condensados.

En el Cuadro 5.1 se muestra la composición del gas natural que se extrae de los pozos y

que contiene, además del metano, su principal componente, otros hidrocarburos más

pesados, tales como el etano, todavía típicamente un gas, el propano, un gas tirando para

líquido; el butano, un líquido tirando para gas, y los pentanos, principales componentes de las gasolinas, las impurezas que acompañan al gas en el subsuelo y algunos gases

inertes.

Cuadro 5.1

Este gas del subsuelo debe recibir un tratamiento de separación de los condensados y

purificación, para poder ser transportado por gasoductos sin inconvenientes. La

separación del etano constituye una posibilidad de carácter petroquímico.

De esta forma, el gas natural seco que se transporta por gasoductos y que se utiliza en

plantas industriales es metano con una pequeña proporción de etano, lo que facilita

mucho su caracterización, al permitir referirse a tales hidrocarburos para conocer

sus principales características y propiedades.

En el Cuadro 5.2 se presentan las propiedades físicas de los hidrocarburos gaseosos que se utilizan como combustibles industriales: metano, etano, propano, isobutano y

butano normal.



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Cuadro 5.2

Propiedades de los componentes del Gas Natural

Las propiedades del gas natural se podrán calcular a partir de la proporción metano

– etano y las del GLP tomando en cuenta su contenido de propano, isobutano y

butano normal, utilizando para todos los casos la siguiente fórmula.

Siendo xj la fracción molar (volumétrica) del componente ―j‖ y Pj alguna propiedad

como el poder calorífico, la densidad, etc..

Aplicando esta fórmula, podemos conocer las características de cualquier gas natural.

Utilizando como ejemplo un gas natural con 95% de metano (x1 = 0.95) y 5% de etano (x2=0.05) tendremos los siguientes resultados para las propiedades que definen su

comportamiento a nivel industrial :

Poder Calorífico Superior (Hs)



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Hs = 9530 (0.95) + 16860 (0.05) = 9897 kcal/m

3N

Poder Calorífico Inferior (Hi)

Hi = 8570 (0.95) + 15390 (0.05) = 8911 kcal/m

3N

Densidad relativa (respecto al aire)

ds = 0.5537 (0.95) + 1.0378 (0.05) = 0.578

En la misma forma se pueden calcular otras propiedades y para facilitar estas determinaciones se pueden elaborar nomogramas.

Para el Gas Natural con 95% de metano utilizado como ejemplo, el nomograma

elaborado que se muestra en la Figura 5.2 permite comprobar los cálculos efectuados

para los poderes caloríficos y en la Figura 5.3 para la densidad.

º

Figura 5.2

Poder Calorifico en Función del Contenido de Metano

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

44000

46000

48000

50000

70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100

Porcentaje de Metano

Po

der

Calo

rifi

co

(M

J/N

m3) Poder Calorífico Superior

Poder Calorífico Inferior



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5.2 Caracterización de gases combustibles

Los criterios de clasificación de gases en ―familias‖, en función de las características de

los gases o mezclas gaseosas y las condiciones de combustión, sirven para expresar índices que resultan indicadores de las posibilidades de utilización de gases y su

intercambiabilidad.

Los más empleados son el ―Indice de Wobbe‖, la ―Fórmula de Knoy‖ y el criterio de

Delbourg.

A) Indice de Wobbe

Se basa en el Poder Calorífico Superior (H) y la densidad relativa al aire del gas, o mezcla gaseosa (d).

Su expresión es la siguiente:

Figura 5.3

Densidad en Función del Contenido de Metano

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0.60

0.62

0.64

0.66

0.68

0.70

70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100

Porcentaje de Metano

Den

sid

ad

Rela

tiva



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Se adapta bien para caracterizar gases naturales secos.

Cuando en la mezcla gaseosa existe productos oxidados (CO2, CO) y por otra parte los hidrocarburos superiores influyen, por su viscosidad, en la exactitud del Poder

Calorífico Superior, se utiliza en ―Indice de Wobbe Corregido‖, que corrige tales

deficiencias con dos coeficientes: K1 y K2, con lo que el I.W corregido es:

IW1 = K1K2 (IW).

El valor de K1 es el siguiente:

En donde (CO), (C2) y (CO2) representa las concentraciones de dichos gases.

En cuanto a K2, su valor se ha determinado estadísticamente y varía según el poder

calorífico aportado por hidrocarburos superiores al metano.

B) Fórmula de Knoy

Se usa frecuentemente en la literatura técnica de EE.UU y pretende corregir las anomalías mencionadas mediante la siguiente fórmula:

Donde H se expresa en BTU/ft

C) Criterio de Delbourg

Para la división de gases en ―familias‖, el criterio más utilizado, sobre todo en Europa,

es el de DELBOURG. Utiliza este investigador el Indice de Wobbe (corregido si es necesario) y otro índice que denomina ―Potencial de Combustión‖ y que correlaciona

con el caudal térmico aportado por cada mezcla gaseosa. El ―Potencial de Combustión‖

alcanza a mezclas en las que incluso existe pentano en forma de vapor y su expresión es la siguiente:



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Como regla práctica, la densidad de un gas con relación al aire se puede hallar dividiendo su peso molecular por el peso molecular ―medio‖ del aire, es decir:

02+3,76N2 32+105,2% 137,28 = 28,84 4,76 4,76 4,76

Así la d del CH4 = 16 = 0,554785

28,84

Del C2H6 = 30 = 1,04

28,84

Del C4H10 = 58 = 2,011

28,84

Cuadro 5.3

Identificación de “familias de gases” - Criterio de Delbourg

La representación gráfica del criterio de DELBOURG es la mostrada en la Figura 5.4

En ella se distinguen tres familias entre sí intercambiables (aunque con rigor no lo sean al 100%)

1ª Familia: Gas ciudad I.W: 3.400 - 3.800 C: 65 - 185

2ª Familia: Gas natural

I.W: 10.000 - 13.000 C: 40 - 75

3ª Familia: Gases licuados del petróleo

I.W: 17.800 - 23.000 C: 60 - 85



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Figura 5.4

Representación gráfica de Delbourg



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5.3 Características de combustión y llamas de gas natural Las características de formación de llama permiten explicar el comportamiento de la combustión de mezclas de gases combustibles aire en cuanto al encendido, el desarrollo y la estabilidad de la combustión, lo cual resulta de particular importancia en las aplicaciones industriales de gas natural. 5.3.1 Límites de inflamabilidad En el Cuadro 5.4 se muestran los límites de inflamabilidad de mezclas gas – aire a 20° C y presión atmosférica.

Cuadro 5.4

Límites de Inflamabilidad

En una atmósfera homogénea de gas metano en aire, solo se dan condiciones de inflamabilidad si la proporción de metano se encuentra entre 5 y 15%. El rango inflamable del gas natural (metano) resulta relativamente estrecho en comparación con el de otros gases, por lo cual deberá controlarse el nivel de exceso de aire para evitar problemas en el encendido. La presencia de nitrógeno y vapor de agua en la zona de inflamación puede restringir estos valores.



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5.3.2 Temperatura de autoinflamación En el Cuadro 5.5 se muestran las temperaturas de autoinflamación de algunos gases y vapores determinados según Ensayo DIN 51794 a presión atmosférica.

Cuadro 5.5

Temperaturas de autoinflamación

La temperatura de autoinflamación del gas natural resulta relativamente alta y se explica por constituir el metano una molécula perfecta que requiere un esfuerzo notable para disociarse antes de reaccionar y desencadenar la ignición.

Figura 5.5

Relación de compresión límite de algunos hidrocarburos



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La Figura 5.5 permite apreciar la relación de compresión límite de algunos hidrocarburos y demuestra que la influencia de la cantidad de átomos de C en el combustible sobre su capacidad autodetonante y ambos ser mayores a los de las gasolinas comerciales. 5.3.3 Velocidad de propagación de llama Una llama estable de una mezcla aire – gas comprendida entre los límites de inflamabilidad se propaga a una cierta velocidad, depende de variables físicas y químicas composición de su mezcla con el aire de combustión, temperatura, presión, forma y dimensiones del quemador. Para el gas natural, la velocidad de propagación o deflagración es del orden de 0.3 m/s

(Figura 5.6). En forma similar, se designa como la velocidad crítica de retorno de llama el límite inferior de velocidad de salida en la cabeza de un quemador con mezcla previa aire – gas, compatible con una llama estable; si la velocidad de salida es inferior a la velocidad crítica, la llama se propaga al interior del quemador en la mezcla gas – aire (retrollama). La velocidad de desprendimiento de llama es el límite superior de velocidad de salida a la cabeza del quemador compatible con una llama estable; si la velocidad de salida es superior a la velocidad de propagación de la llama, ésta se desprende del quemador y se apaga.

Figura 5.6

Variación de la velocidad de deflagración

en función del factor de aire



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5.3.4 Requerimiento de aire y volumen de gases de combustión

Siendo la relación Carbono/Hidrógeno la mínima posible para el metano, componente principal del gas natural, el volumen requerido de aire (oxígeno) para completar su

combustión será siempre mayor que el de cualquier otro combustible.

Podemos comparar los volúmenes de gases de combustión requeridos para generar

1.000 Kcal, utilizando gas natural, petróleo residual y carbón mineral con un 10% de

exceso de aire de combustión:

1.000 Kcal obtenidas con carbón mineral producen 1.24 m3N de gases de combustión.

1.000 Kcal obtenidas con petróleo residual producen 1.31 m3N de gases de combustión.

1.000 Kcal obtenidas con gas natural producen 1.46 m3N de gases de combustión.

De esos valores se deduce que el petróleo residual produce aproximadamente un 6 %

más de gases de combustión que el carbón mineral , y el gas natural, un 18 % más que

el carbón; asimismo, el gas natural producirá un 11 % más de gases de combustión que el petróleo residual; sin embargo, si tomamos en cuenta que en la práctica industrial

resulta normal utilizar un 10 % de exceso de aire para gas natural, 20 % para el petróleo

residual y 30 % para el carbón mineral, utilizando eficientemente estos combustibles, los gases de combustión generados resultarán bastante similares.

5.3.5 Termofluidodinámica de la combustión del gas natural

Aunque la Teoría Inorgánica de la Combustión establece que todos los combustibles se queman en la misma forma heterogénea, la manera en que se llega a este punto define un comportamiento diferente en el desarrollo de la combustión. Los sólidos y líquidos requieren ser molidos y atomizados para ponerse a disposición del flujo dominante, el aire primario, en partículas de coque de tamaño adecuado para completar su combustión en el entorno del reactor, hogar o zona conveniente del horno.



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Siendo el gas natural un fluido capaz de aportar energía cinética para la mezcla con el

aire de combustión y siendo el tamaño de las partículas de coque resultado de su

disociación microscópica, la cinética de su reacción será mucho más rápida y el requerimiento de turbulencia menor para completar su combustión.

Esta facilidad de combustión podría resultar conveniente desde muchos aspectos, pero si se quema demasiado rápido convirtiéndose en gases de combustión con una llama

muy corta, resultará muy pobre la cantidad de calor que pueda ser transferida por

radiación. En este caso, el diseño del quemador debería orientarse a demorar la combustión, controlando la disponibilidad del contacto de aire y comburente.

En la Figura 5.7 se muestra el tiempo previsto de reacción de partículas de tamaños que

corresponden a coques producto de la desvolatilización de carbón mineral y craqueo en

fase líquida de petróleo residual, disponiendo de todo el oxígeno requerido para la reacción continua.

Figura 5.7

Tiempo de reacción de partículas de coque

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Tamaño de partícula (micras)

Tie

mp

o d

e r

eacció

n (

seg

)

CARBÓN BITUMINOSO

COQUE DE PETRÓLEO

CARBÓN ANTRACITA

En el caso del coque producto de la disociación del gas natural que apenas alcanza unos

200 Angstrons (0,2 micras), la combustión será prácticamente instantánea.



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Al no producirse tal disponibilidad de oxígeno teórico ideal en la práctica, el diseño del quemador y la disponibilidad de impulsos que proporcionan la calidad de turbulencia y

mezcla, los objetivos para cada caso resultarán contrapuestos.

La naturaleza y tamaño de partículas de coques provenientes de carbón y petróleo

(sólidos y líquidos) exigen diversas energías de mezcla para combustión completa,

pudiendo requerir catalizadores adicionales en casos extremos.

Cuando se requiere o desea aumentar la emisividad de la llama de gas natural para

mejorar la transferencia de calor por radiación, el diseño del quemador se orienta a ―demorar‖ la mezcla para aumentar la presencia de partículas en estado

incandescente, pero completando finalmente la combustión en el hogar o reactor.

En la Figura 5.8 se muestra las emisividades teóricas de llamas.

Figura 5.8

Emisividades teóricas de llama

Los aspectos de mecánica de fluidos comentados nos permiten aproximar el

comportamiento de la combustión en algunos casos de la práctica industrial :

Al utilizar gas natural en quemadores y condiciones previstas para combustibles

líquidos, la combustión es instantánea.

En quemadores mixtos gas – líquidos o gas – sólido, la combustión instantánea del gas favorece la cinética de reacción y las posibilidades de combustión

completa, aun para combustibles muy poco reactivos.



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La inyección de gas y aire, ambos con impulso considerable, podría ocasionar que no se complete la combustión por falta de calidad de mezcla; por ello,

siempre debe haber un flujo dominante que succione al otro.

Al matar la presión del gas y utilizar el impulso del aire primario, se desperdicia

energía cinética y consume energía eléctrica.

5.4 CRITERIOS TÉCNICOS PARA SELECCIÓN DE QUEMADORES PARA

GAS NATURAL

5.4.1 La tecnología simple y efectiva del gas natural

La simplificación de la tecnología de la combustión alcanza su máxima expresión cuando se utiliza gas natural como combustible, debido precisamente a su facilidad de

combustión. En este sentido los quemadores de gas natural deberían ser muy simples,

prácticos y eficientes, suficientemente seguros y funcionales para permitir altos niveles de automatización en operaciones y procesos industriales.

Los fabricantes y proveedores de quemadores han efectuado un gran esfuerzo técnico con fines comerciales orientados a sus intereses económicos, tergiversando la tecnología

de la combustión del gas natural y desarrollando diseños de quemadores

innecesariamente costosos y complicados. Desafortunadamente, la falta de tecnificación en el campo de la combustión y aplicación de criterios adecuados por parte de los

responsables de plantas industriales han facilitado tales objetivos.

El resultado constituye para estas plantas industriales un lamentable desperdicio, pero

también al mismo tiempo una formidable oportunidad.

Un lamentable desperdicio porque la utilización de quemadores innecesariamente

costosos y complicados limita las posibilidades de conseguir niveles adecuados de

eficiencia y establecen con frecuencia condiciones de inseguridad y contaminación ambiental, complican el mantenimiento de planta y elevan los costos operativos.

Una formidable oportunidad porque disponen de un inmenso potencial de optimización técnica, económica y ecológica, aplicando la tecnología del presente

manual y adoptando los criterios de selección de quemadores que recomendamos en este punto.



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5.4.2 Quemadores 100 % gas natural

Cuando llega el gas natural a una planta industrial es para quedarse, porque se construye gasoductos para asegurar el suministro periodos muy largos. La instalación de

quemadores mixtos gas-líquido o gas-sólido para asegurar la continuidad operativa de

los equipos resulta totalmente injustificado por razones económicas, técnicas y ecológicas.

Económicas: En promedio, un quemador mixto cuesta entre 3 y 5 veces el que

representa instalar un quemador exclusivo para gas natural, pero este no

representa el error más grave desde el punto de vista económico.

Resulta más importante el mantenimiento de todas las complejas instalaciones para pre-combustión de combustibles líquidos y/o sólidos, probablemente

preparados para entrar en servicio en cualquier momento durante varios años,

sin que resulten necesarios. La eliminación total de estas instalaciones, además de la eliminación de costos injustificados, representa la oportunidad de disponer de

valiosos terrenos para ampliaciones de producción que normalmente emergen de la

mayor competitividad que proporciona la economía, eficiencia y limpieza del gas natural.

Técnicas: La instalación de un quemador mixto representa directamente, la utilización del gas natural con tecnología para combustibles líquidos y/o sólidos.

El resultado se traduce directamente en limitaciones operativas y complicaciones

de manejo y regulación de la combustión. Como se ha mostrado en puntos

anteriores, la gasodinámica de la combustión del gas natural resulta diferente a la requerida para otros combustibles.

Ecológicas: El desperdicio de las ventajas del gas natural no se limita solamente a menores eficiencias de combustión; podrían ocasionar, como lo hemos

comprobado en la práctica, emisiones de inquemados sólidos (hollín), gaseosos (CO) e incluso, el propio gas natural por chimeneas. Asimismo, representa el

mantener instalaciones de petróleo residual o carbón, sucias, peligrosas y

contaminantes, sin más justificación que producir beneficios económicos para

buenos vendedores que se aprovechan de malos ingenieros de planta (Figura

5.8).

Figura 5.8

Instalaciones que deben desaparecer

cuando llega el gas natural



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5.4.3 Quemadores Gas - Aire

Tomando en cuenta que el gas natural, a diferencia de combustibles líquidos y sólidos,

también es un fluido, resulta justificado evaluar si en el diseño del quemador debe resultar flujo dominante el gas natural o el aire de combustión.

Considerando que para quemar 1 m3N de Gas Natural se requieren alrededor de 10 m

3N

de aire de combustión, generalmente resulta conveniente regular la combustión

utilizando como flujo dominante el aire, aportando en el ventilador la energía cinética

(impulso) necesario para controlar la mecánica de fluidos que permita conformar el tipo y la forma de llama adecuado a la cámara de combustión y/o un proceso industrial

determinado, pero existen dos tipos típicos de quemadores que utilizan el gas natural

como flujo dominante: los quemadores de inspiración, de pequeña capacidad, y los supersónicos para grandes capacidades.

Quemador de inspiración (tipo Venturi) (Figura 5.9)

Cuadro 8.1

Este quemador, como se observa en la figura, cuenta con una tobera de inyección de gas en forma de tubo venturi, aspirando el aire primario necesario para la combustión a través de los orificios de la parte posterior del quemador, provocando una mezcla íntima del aire y gas. Para casos de calderas de calefacción o industriales suelen diseñarse quemadores atmosféricos tipo multitoberas, que son un conjunto de quemadores del tipo mencionado precedentemente, que trabajan simultáneamente, en forma proporcional a la cantidad de calor a suministrar.



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En la Figura 5.10, se indica un quemador de esta característica, que es

totalmente automático, y en la Figura 5.11, el esquema de funcionamiento.

Figura 5.10

Quemador automático multitobera

Figura 5.11

Esquema de funcionamiento quemador automático multitobera

Quemadores Supersónicos sin aire primario



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En el tipo de quemadores que utilizan una pequeña proporción del aire total de

combustión como aire primario como aportante del impulso para formación de llama,

con recuperación de aire secundario, se puede utilizar gas natural a alta presión (30-40 bares) en sustitución del aire primario, permitiendo mayor recuperación de calor con el

100 % de aire secundario.

En la Figura 5.12 se muestra el plato en el que se maquinan toberas axiales y radiales

con diseño De Laval, que permite inyectar gas natural a velocidades supersónicas que pueden trabajar con 100% de gas natural o combinarlo con combustibles difíciles de

quemar, tales como carbón antracita o pet coke, con muy buenos resultados. El gas

natural le aporta los volátiles que les faltan a estos combustibles y éstos, permiten mejorar la emisividad de llamas de gas natura.

Figura 5.12

En la Figura 5.13 se presenta el diseño original de este tipo de quemadores,

originalmente propuesto por empresas alemanas



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Figura 5.13

5.4.4 Quemadores de Difusión Aire - Gas Constituyen los quemadores industriales convencionales y se denominan en esta forma porque el aire y el gas natural se mezclan recién a la salida del quemador, en el interior de la cámara de combustión, efectuándose la mezcla y reacción de combustión por difusión. Siendo generalmente el aire el flujo dominante que aporta el impulso para la mezcla, la presión estática aportada por el ventilador y el diseño del difusor determinan las características de la forma de llama y la cinética de la combustión. El suministro de gas debe efectuarse a baja presión, con el impulso mínimo necesario para ponerse a disposición de la energía cinética aportada por el aire, debiendo inyectarse en forma transversal respecto al ingreso del aire para favorecer una mezcla rápida, encendido y combustión adecuada al reactor de combustión que corresponda. Esta es la razón que explica que recibiendo en la ERMP hasta 10 bares, al final del circuito de distribución, el suministro al quemador se efectúe por debajo de 100 mBar. En la Figura 5.14 se muestran quemadores comerciales para calderos

pirotubulares para gas natural (100%) en los cuales se puede observar el diseño de la inyección de gas natural y el difusor de aire, con ranuras rectas, para no acelerar demasiado la cinética de la combustión.



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Figura 5.14

Quemadores para Calderos Pirotubulares

En la Figura 5.15 se muestran quemadores mixtos gas natural – fuel oil donde se combinan dos combustibles con comportamiento muy diferente, por lo cual resulta más justificado utilizarlos en forma combinada para facilitar la combustión del fuel oil y al mismo tiempo, favorecer la emisividad de la llama y por tanto, la transferencia de calor por radiación.

Figura 5.15

Quemadores mixtos para calderos acuotubulares

Como puede apreciarse en estas vistas, la inyección de gas natural se efectúa en sentido transversal al flujo d aire y con baja presión, para que no tengan impulso propio y sean succionados y arrastrados por el aire, que constituye el flujo dominante.



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5.4.5 QUEMADORES ESPECIALES Las características de limpieza, facilidad de inyección y rapidez de combustión del gas natural establecen importantes oportunidades de aplicaciones industriales que no podrían implementarse con combustibles líquidos y sólidos. Para aprovecharlas en forma conveniente se ha diseñado quemadores especiales específicamente adecuados para cada caso. Aunque podrían existir muchas posibilidades en este campo, mencionamos las más conocidas y utilizadas:

Quemadores en vena de aire

Figura 5.16

Quemadores en vena de aire

La limpieza del gas natural permite la utilización de sus gases de combustión para el secado directo. Estos tipos de quemadores representan verdaderos generadores de gases calientes para tal objetivo; están constituidos por un ventilador que impulsa un caudal de aire a presión relativamente baja, suficiente para compensar la caída de presión en el sistema. En el ducto de transporte se ubica un quemador lineal en el interior de una cámara perforada, por donde ingresa suficiente aire para mantener la combustión, generando gases calientes que aguas abajo se mezclan con el aire frío que transcurre por el exterior del quemador, promediando la temperatura requerida para procesos de secado y similares. El nivel de variación que puede mantenerse con este sistema es de +/- 1°C, permitiendo un excelente control operativo del proceso de secado.



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Quemadores Tipo Jet Disponiendo de quemadores de alta velocidad que permiten completar la combustión en el reactor, los gases de combustión producidos se utilizan directamente para transportar materiales pulverulentos húmedos, realizando simultáneamente la operación del transporte y el proceso de secado. Mediante un separador estático (ciclón) se separa el material seco y se deposita en una tolva de características adecuadas para ser dosificado al reactor de otro proceso o prepararse para embarque.

Figura 5.17

Quemadores tipo Jet

Quemadores de combustión sumergida Para concentración de soluciones o simple calentamiento de fluidos, estos quemadores permiten efectuar la combustión sumergidos en la solución, introduciendo la totalidad de gases de combustión al interior del reactor, su calor latente y calor sensible serán íntegramente transferidos al proceso, permitiendo alcanzar excelentes rendimientos térmicos.



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Figura 5.18

Quemadores de

combustión

sumergida

Quemadores de alto exceso de aire En muchos procesos de secado se elimina humedad de hidrocarburos (grasas, aceite, lacas, barnices, etc) con poder calorífico. Las normas de control de emisiones exigen que estos hidrocarburos se quemen y conviertan en CO2 y H2O, antes de ser eliminados a la atmósfera. Para recircular y quemar estos gases, el principal inconveniente es su baja concentración, lo cual obliga a utilizar combustible adicional limpio (GLP o Gas Natural) en reactores como el mostrado en la Figura. El quemador de alto exceso de aire permite mantener la combustión mediante un piloto que reenciende permanentemente la llama, permitiendo generar gases relativamente fríos. La ubicación de una etapa de intercambio térmico entre los gases sucios y los gases calientes, permite regular la temperatura en niveles adecuados para el secado en forma directa o con aire de dilución adicional.

Figura 5.19 Quemadores de alto exceso de aire



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5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL GAS NATURAL CON OTROS

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

Al tener que competir el gas natural con otros combustibles en la práctica industrial, para constituir la mejor opción de suministro energético en términos técnicos y económicos,

resultará de la mayor importancia disponer de criterios adecuados de comparación de las

características que condicionan su disponibilidad, suministro, precombustión, combustión y post-combustión.

Los combustibles que podríamos considerar alternativas elegibles para efectuar una comparación adecuada y útil en la práctica son, además del gas natural, el Gas Licuado de

Petróleo (GLP), Diesel 2, Petróleo Residual 6 (Bunker C), Carbón mineral bituminoso

(Hulla) y Carbón mineral Antracita (<10% de volátiles).

Para realizar una comparación objetiva hemos elegido un sistema consistente en la

designación de 10 parámetros de comparación vinculados directamente con los circuitos de combustión industrial, elaborando con ellos un cuadro de valoración con calificación de 1

a 5, correspondiendo el valor más alto a su mejor comportamiento. Para establecer un

análisis específicamente adecuado para cada caso particular, se deberá otorgar un peso de valoración para cada parámetro individual , asignándole un factor de 0.1 a 1.0.

En esta forma, se tendrá un factor de utilización de cada uno de los combustibles que constituyan alternativas elegibles para una determinada planta industrial. Este factor de

carácter técnico deberá compararse directamente con su costo de empleo, permitiendo

definir opciones.

Los 10 parámetros elegidos son los siguientes:

Suministro: Involucra las posibilidades de adquisición, seguridad de suministro y la

forma de facturación. La disponibilidad de gas natural por tubería y la facturación posterior al consumo marcan una excelente calificación al gas natural. El suministro de

combustibles líquidos, incluyendo como tal al GLP, resulta una posición intermedia y

las dificultades propias del suministro de carbón le otorgan una baja calificación a las hullas y antracita.

Precombustión: Se refiere al circuito de preparación de los combustibles y todo el circuito de pre-combustión, desde su ingreso a planta hasta el momento mismo de su



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ignición. También en este campo la ventaja de manipuleo del gas resulta decisiva, no requiriendo ningún acondicionamiento para su empleo en los quemadores. En la

misma forma, los líquidos representarán una condición intermedia, con ligera ventaja

para el GLP por utilizarse como gas. La molienda y/o clasificación por tamaños de los carbones y las dificultades para transportar sólidos, le otorgan mucha desventaja a los

carbones.

Inversión: Incluye todo el circuito de precombustión, quemadores, sistemas de

seguridad y regulación, registro de parámetros de combustión y post-combustión. También la inversión resulta definida totalmente por la simplicidad del manejo, y en

este sentido, el gas resulta favorecido con la máxima calificación con un pequeño

castigo, por requerir especiales condiciones de seguridad en toda la instalación, que

podría involucrar su odorización.

Mantenimiento: La facilidad de desarrollar un efectivo mantenimiento también resultará influenciado por la simplicidad de las instalaciones. En este caso el GLP

pierde las ventajas de utilizarse como gas debido a la necesidad del vaporizador y las posibilidades de depósitos de olefinas.

Control sobre la llama: Aunque la facilidad de inyección del gas natural y su energía cinética representan una gran posibilidad, ésta aparente ventaja resulta minimizada por

el escaso aprovechamiento del impulso del gas y los requerimientos de llamas más

emisivas para algunos procesos, exigiendo al diseño del quemador la posibilidad de demorar la combustión. Los combustibles bien atomizados permiten un buen control

sobre las características de la llama y el manejo adecuado de la finura de los carbones

bituminosos permiten un aceptable control de llama, contando con quemadores adecuados. En la combustión sobre parrillas, adecuado para las antracitas, el manejo de

llama resulta muy limitado, pero factible de conseguir.

Limpieza: La presencia de residuos de combustión resulta determinante para juzgar su

comportamiento en los equipos, resultando ideal en el caso del gas natural y parecido en el GLP; los combustibles líquidos se complican algo en el caso de los petróleos

residuales y se tornan más complicados en el caso de los carbones con cenizas

variables.

Emisividad de llama: Parámetro importante en la práctica por establecer las condiciones para transferencia de calor a los equipos y procesos. En este caso la

facilidad de combustión del gas natural representa una desventaja compensable sólo en

forma limitada por el diseño del quemador. La posibilidad es mayor en forma proporcional al incremento de la relación Carbono/Hidrógeno, llegando al punto

máximo la alta emisividad de llamas de carbón.

Volumen de gases de combustión: También la relación carbono/hidrógeno resulta

definitiva en este caso, como se apreció anteriormente, y resulta importante para las posibilidades de transferencia de calor por convección

Seguridad: La circunstancia de que el gas natural no pueda percibirse por la vista o el olfato determina ciertos riesgos que afectan al gas natural y al GLP, con el agravante

para este último de resultar más pesado que el aire. En este caso las mayores ventajas



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las tienen el Diesel 2 y Residual 6, resultando menos seguras las condiciones de manejo del carbón, debido al riesgo de explosiones de polvo de carbón en suspensión;

mayor en el caso de las hullas con altos contenidos de volátiles y mínimo en el caso de

antracitas.

Contaminación ambiental: La limpieza y facilidad para quemarse marcan una diferencia notable en el uso de gases, menor en el caso del GLP, diesel 2 , residual y

carbones sucesivamente. En esta consideración se considera la necesidad de conseguir

siempre combustión completa.

En el Cuadro 5.6 se presenta el resultado del análisis efectuado, en el cual se obtiene

sucesivamente las siguientes puntuaciones:

De acuerdo con este resultado el precio de facturación de estos seis combustibles

resultarían opciones equivalentes, tomando como base un precio de 3 US$/mm BTU para el gas natural, si tuviesen los siguientes precios en US$/millón de BTU.

Para poder aplicar este modelo con objetividad para cada caso específico, tendrá que

establecerse el peso específico que corresponde a cada parámetro para cada uso particular

de los combustibles en plantas industriales.

Así, su aplicación en el caso de una industria textil que utiliza procesos a relativamente

baja temperatura, con mayor utilización de transferencia de calor por convección otorgará

menor importancia a la emisividad de llama y mayor a la limpieza que permite el empleo de gases de combustión en forma directa para calentamiento y secado.

En la industria del cemento, por el contrario, resultará fundamental la emisividad de llama y menos importante la limpieza, dado que las cenizas serán parte del producto.

Resulta importante observar que existiendo siempre ventajas de empleo del gas natural

frente a los otros combustibles, lo que establecería un margen de conveniencia de su

empleo aún si su precio fuese mayor, el hecho de que resulte impracticable su almacenamiento, establece precios normalmente inferiores en unidades energéticas

comparables. Esta situación permite apreciar claramente la gran conveniencia técnica y

económica de la disposición del gas natural.

CUADRO 5.6

Análisis Comparativo de Combustibles Industriales

Parámetros Gas Natural G.L.P Diesel 2 Residual 6 Hulla Antracita

Suministro 5 4 4 3 1 1

Pre-combustión 4 3 3 2 1 1

Inversión 5 3 4 3 2 1

Mantenimiento 4 3 3 2 1 1

Control de llama 4 3 4 4 3 1

Limpieza 5 4 3 1 2 2

Emisividad de llama 1 2 3 4 4 5

Volumen gases de combustión 2 3 3 4 4 4

Seguridad 4 3 4 3 2 3

Contaminación ambiental 5 4 4 2 2 2

TOTAL 39 32 35 28 22 21



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CAPITULO 6

Estaciones Receptoras en

Plantas Industriales

Los sistemas de transporte conducen al gas natural seco extraído de los pozos y procesado en plantas de separación de líquidos y refinación a través de Gasoductos hasta los City Gates, donde se filtran partículas y gotas, se miden y registran flujos, se controla calidad y se regulan los niveles de presión a los establecidos requeridos en circuitos de distribución las Redes de Distribución domiciliarias e industriales. Los sistemas de distribución difieren según las presiones con que operan y el material de las tuberías. Respecto de las presiones de distribución, las redes pueden ser:

Redes de Alta Presión Se considera Alta Presión, a todo suministro que supere los 1.96 bares (2 Kg/cm2), y está destinado a abastecer consumos industriales y a alimentar redes de media y baja presión.

Redes de Media Presión Se considera Media Presión, cuando el suministro esta comprendido entre 0.454 bares(0.5 Kg/cm2) y 1.96 bares (2 Kg/cm2) y se dimensionan de forma tal que en ningún punto de la red se tenga un valor menor que el límite inferior, porque esta es la mínima presión con que trabajan los reductores en las instalaciones domésticas.

Redes de Baja Presión



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Las redes de Baja Presión, son las que alimentan directamente a los artefactos de consumo a una presión de 19 mbar (0.020 Kg/cm2). Las plantas industriales pueden recibir el Gas Natural de las Redes de Distribución o directamente de los Gasoductos de Transporte, según las circunstancias de ubicación geográfica, rangos de consumo, normas y procedimientos existentes y condiciones de comercialización. El ―Punto de Acometida‖ establece el límite entre las redes externas e internas donde se produce la transferencia de propiedad y responsabilidad de manejo del gas suministrado. El primer paso en el circuito interno de gas natural en plantas industriales lo constituye la Estación de Regulación y Medición Primaria (E.R.M.P) donde se efectúan 3 operaciones principales para acondicionamiento del gas suministrado a las mejores condiciones requeridas en cada planta industrial:

Limpieza de las impurezas contenidas en el gas recepcionado y que se presentan como partículas y gotas.

Regulación de la presión a los niveles requeridos en los sistemas de combustión.

Medición fiscal del flujo de gas natural para efectos de facturación y evaluación de costos operativos.

6.1 SITUACIÓN, CARACTERÍSTICAS Y NORMAS DE INSTALACIÓN DE

ESTACIONES RECEPTORAS 6.1.1 Situación de la E.R.M.P. La Estación de Regulación y Medición se instalara sobre la línea municipal del predio donde se encuentra el establecimiento del usuario. La instalación se realizara en forma aérea, por lo tanto será conveniente que se la provea de resguardo para las condiciones climáticas imperantes en la zona. El terreno escogido para la instalación de la Estación receptora será fácilmente accesible, lo más cerca posible a la vía pública y al abrigo de inundaciones. Los representantes de la Empresa distribuidora de Gas tendrán acceso libre a la cabina en todo momento, sin pérdida de tiempo, quedando reducidas las formalidades eventuales al mínimo. Para limitar y evitar las posibles consecuencias de un accidente en la Estación receptora, ésta deberá situarse lo suficientemente alejada de los



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accesos a otros edificios y talleres, de forma tal que los posibles escapes de gas no puedan alcanzar los locales vecinos. La conexión de la Estación receptora a la red de distribución exterior, mejor dicho, a la válvula del ramal de alimentación, se realizará con una tubería capaz de resistir la misma presión de servicio que la tubería de la Empresa suministradora. Antes de la entrada a la Estación receptora, el usuario instalará una válvula de interceptación de apertura y cierre rápido (un cuarto de vuelta), fácilmente accesible y claramente señalizada, que permita aislar la Estación. Dicha válvula estará convenientemente protegida contra golpes accidentales. La distancia de esta válvula al recinto de la cámara será la suficiente para permitir que su cierre, en caso de emergencia, pueda efectuarse con el menor riesgo posible. La válvula de seccionamiento, como la tubería de conexión, será de acero, capaz de resistir la misma presión de servicio que la red de la Empresa suministradora de gas. 6.1.2. Modo de instalación

Las Estaciones receptoras podrán instalarse en locales cerrados independientes, al aire libre o a simple abrigo e incluso en armarios, en instalaciones de pequeña capacidad.

a) Estaciones en locales cerrados o independientes

Las dimensiones del recinto varían de acuerdo a las necesidades del consumo y al diseño de las ramas de regulación y medición. Estas pueden ser ubicadas en un plano horizontal o en uno vertical. Se debe considerar un espacio vacío mínimo de 600 mm, entre las instalaciones y las paredes, dentro del local, para permitir el mantenimiento de los equipos e instrumentos. Las dimensiones del recinto varían de acuerdo a las necesidades del consumo y al diseño de las ramas de regulación y medición. Estas pueden ser ubicadas en un plano horizontal o en uno vertical. Se debe considerar un espacio vacío mínimo de 600 mm, entre las instalaciones y las paredes, dentro del local, para permitir el mantenimiento de los equipos e instrumentos. Se deben cumplir las siguientes especificaciones:

El piso deberá ser de cemento alisado y sobre elevado respecto al terreno circundante.

Las paredes de mampostería con un espesor mínimo de 150 mm y con revoque fino.



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El techo no podrá tener una altura menor que 2700 mm., y el material de construcción será incombustible.

La ventilación mínima será de aprox. 5 % de la superficie lateral de las paredes, mediante rejillas convenientemente distribuidas para asegurar una normal circulación del aire. El 80 % de la ventilación será realizada por la parte inferior y el 20 % restante, por la parte superior.

La instalación para la iluminación deberá ser anti-explosiva, apta para clase 1, división 1, según Norma NFPA Nº 70 y que asegure un nivel lumínico de aprox. unos 150 [lux] en las zonas de regulación y medición.

Deberá tener una puerta de acceso, directamente desde la calle, con apertura hacia el exterior y otra hacia la planta industrial, ambas metálicas, de 1100 mm x 2000 mm y con cerraduras de seguridad.

En el recinto, se colocara un extinguidor de fuego de polvo seco, base potásica, con una carga mínima de 10 Kg.

Un cartel de operaciones, que indique claramente como operaran las válvulas de corte, para la parada y la puesta en marcha de la estación.

Las estaciones receptoras cerradas no tendrán comunicación directa con otros locales anexos tales como locales de calderas, salas de control, etc. Asimismo, no debe existir ningún local cuyo único acceso sea a través de la estación. Tendrán un volumen lo más reducido posible, recomendándose construir las paredes exteriores de ladrillo, hormigón u otro material resistente similar. En los locales cerrados deberán preverse aberturas de entrada de aire, protegidas por tela metálica, y aberturas de evacuación, de dimensiones suficientes para una buena ventilación.

El espesor de las paredes de obra será, como mínimo, de:

30 cm si es de ladrillo, 25 cm si es de hormigón, 15 cm si es de hormigón armado, con un recubrimiento mínimo de la

armadura de 5 cm.

El techo será de materiales ligeros e incombustibles, no pudiendo utilizarse vidrio. Deberá disponerse de tal forma que no esté firmemente sujeto a las paredes. Las puertas deberán abrirse hacia el exterior, abatirse completamente sobre el muro y estar provistas de un sistema de bloqueo. Asimismo, deben poder abrirse desde el interior por un simple empujón.

b) Estaciones al aire libre o a simple abrigo

Estas estaciones deberán estar protegidas por una valla metálica o por un máximo de tres muros (el cuarto será necesariamente una valla metálica). Uno



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de los tres muros podrá ser la pared de un edificio. En todo caso, podrán estar o no protegidas por un tejadillo de material ligero e incombustible. Cuando la Estación receptora colinde con propiedades de terceros o dominios públicos será obligatoria la existencia, como mínimo, de un muro de separación entre ambos. Esta solución asegura las mejores condiciones de ventilación. Es imprescindible, en este caso, tomar las precauciones suficientes para garantizar la seguridad y el buen funcionamiento de los aparatos de regulación y medida en las condiciones más favorables. En caso de que la superficie necesaria del recinto supere los 60 m2, se podrá optar por un recinto abierto, con las siguientes características:

Piso de cemento alisado en las sendas de circulación. El resto puede ser de piedra granítica partida, con un espesor mínimo de 150 mm. La longitud de la pared sobre la línea municipal se podrá extender hacia ambos lados, tantos metros como surja de rebatir las paredes laterales sobre dicha línea, debiéndose terminar el cerramiento con alambre de tejido romboidal, con una altura mínima de 1800 mm.

El resto de las características es similar al del recinto cerrado c) Estaciones en armario Cuando las Estaciones receptoras estén construidas de forma compacta, de manera que todos los elementos que la componen se presenten agrupados en un bloque único, podrán instalarse en el interior de armarios metálicos o de otros materiales incombustibles provistos de las correspondientes rejillas de ventilación.

Dichos armarios dispondrán de las puertas y de los elementos desmontables necesarios para permitir un cómodo acceso a todos los aparatos de la cámara de regulación, facilitando los trabajos de revisión y mantenimiento. Los armarios estarán situados al aire libre, estando provistos del sistema de protección que cada caso requiera, según su emplazamiento. La distancia mínima entre una Estación receptora y cualquier puerta de los locales contiguos será de 5 m. Las paredes de separación con otros locales se deberán construir con materiales resistentes y deberán ser estancas al gas. Serán tomadas las precauciones suficientes para mantener dicha estanquidad, aunque las paredes tengan que ser atravesadas por canalizaciones. El suelo deberá ser de material incombustible y no susceptible de producir chispas. Está prohibido el uso de plástico y de enrejado de acero para este fin. Para asegurar una ventilación suficiente en el interior de las Estaciones receptoras, la superficie libre total de las aberturas de entrada de aire no deberá ser inferior al 5 % de la superficie total del recinto, incluyendo suelo y



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techo. La superficie de las aberturas de evacuación de aire será igual, como mínimo, a la de las aberturas de entrada, sin posibilidad de cierre ni para unas ni para otros. Cuando la ventilación natural sea insuficiente, se asegurará mediante una ventilación mecánica con capacidad mínima de renovación del aire de 20 veces por hora. Las aberturas de entrada de aire se encontrarán a 15 cm del suelo, las de evacuación debajo del techo y en el punto más alto del local. Las puertas que dan acceso a los locales anexos de calentamiento de calderas o sub-estaciones eléctricas, así como las entradas a locales que contengan productos inflamables, deberán encontrarse lejos de las aberturas de ventilación y nunca en el mismo lado de la Estación en que se encuentran las mismas. 6.1.3 Distancias Mínimas de Seguridad

En el proyecto, también deben considerarse determinadas distancias mínimas de seguridad a otros equipos ó instalaciones. Desde Hasta Distancia

[m] E. R. M sin cabina Calentador 15 E. R. M con cabina Calentador 6

E. R. M sin cabina Punto de combustión 50

E. R. M con cabina Punto de combustión 25

E. R. M. TQ Pulmón 3 E. R. M. TQ combustible líquido 7.5 E. R. M. y/o tuberías Alta tensión aéreas 5 E. R. M. y/o tuberías Alta tensión subte 0.5 E. R. M. y/o tuberías Puesta a tierra A.T. 0.5 c/ 10 [KV] Calentador TQ combustible líquido 15 Calentador Tanque Pulmón 15 Punto de Combustión Materiales combustibles 30

Subestación transformadora E. R. M 10 6.1.4 Seguridad respecto a instalaciones eléctricas Las Estaciones receptoras deberán cumplir las siguientes condiciones de seguridad:



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Interior de la Estación :

Se permitirá solamente la conexión a una red de baja tensión (220 voltios).

Las instalaciones eléctricas interiores (iluminación, interruptores, cables, etc.) cumplirán las prescripciones para Baja Tensión y en particular, el artículo que se refiere a locales que presentan peligro de incendio o explosión.

Independientemente de ese Reglamento, todas las instalaciones interiores de las cámaras serán obligatoriamente de tipo antideflagrante, y las conducciones eléctricas, en toda su longitud, se efectuarán bajo tubo de acero.

No se permitirá ninguna toma de corriente dentro de la Estación. Exterior de la Estación:

Se prohibe que crucen cables eléctricos por encima de la Estación.

Los cables y sistemas eléctricos más cercanos a la Estación y que no sean antideflagrantes deberán estar a una distancia mínima de 10 m de la misma en caso de que sean aéreos, a menos que medie una pared resistente y extensa entre ellos y la Estación.

6.1.5 Precauciones diversas Con respecto a la seguridad contra el exceso de presión a la salida del regulador, por funcionamiento defectuoso de éste, o por cualquier otra causa, cada línea de regulación irá equipada con dos válvulas de seguridad diferentes que, independientemente una de la otra, impidan a la salida del regulador un aumento de la presión superior a los límites fijados en sus condiciones de trabajo. Una de las válvulas actuará como reserva de la otra. Una de estas válvulas, como hemos indicado anteriormente, será de rearme manual, es decir, necesitará la intervención del hombre para restablecer sus condiciones de trabajo. La otra será automática, restableciéndose las condiciones de trabajo tan pronto como cese la anormalidad (válvula de resorte). La primera de estas válvulas se podrá utilizar para cortar la alimentación de la línea si la presión de salida del regulador desciende por debajo del valor mínimo fijado para su buen funcionamiento (válvula de seguridad de máxima y mínima presión). Referente al silbido, que según el nivel sonoro puede llegar a molestar, producido en algunos casos por el regulador, las válvulas o las tuberías, se recomienda lo siguiente:

Evitar que el regulador, o su obús de paso, sea demasiado pequeño;

Evitar las válvulas de paso reducido;



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Evitar las T rectas y, en general, todo cambio brusco de dirección;

Utilizar piezas de reducción en las que el ángulo de abertura sea inferior a 15 0C;

Mantener, siempre que sea posible, la velocidad de circulación del gas por los anteriores elementos y por las tuberías a una velocidad inferior a 30 m por segundo.

En las regiones que frecuentemente están expuestas a los efectos de las tormentas, será prudente proteger la instalación con un pararrayos o jaula de Faraday, concebido e instalado siguiendo las reglas que existen para los mismos. Las tomas de tierra deberán ser independientes de las demás instalaciones. Todas las instalaciones de la Estación receptora a partir de la salida de la junta dieléctrica deberán encontrarse siempre al mismo potencial eléctrico. Para lograrlo, se realizarán una o varias tomas de tierra cuya resistencia será en todo momento inferior a 10 ohmios. Las tuberías de escape de las válvulas de salida a la atmósfera se prolongarán por encima del local, por lo menos un metro sobre el punto más alto del techo. Se proveerán de apaga-fuegos y la boca de salida estará coronada con un capuchón o cualquier dispositivo que impida la entrada de cuerpos extraños. Las chimeneas de las calderas o del cambiador de calor sobrepa-sarán, como mínimo, un metro del punto más elevado del techo y estarán alejadas de las tuberías de escape de gas a la atmósfera. Sus bocas se protegerán con sombreretes. No podrá instalarse ningún material suplementario al estrictamente necesario para la explotación de la Estación. Se prohibirá la entrada al personal ajeno a su funcionamiento o mantenimiento. Se instalarán extintores de polvo seco en número suficiente en las proximidades de la Estación y fuera de la misma. Se colocarán letreros de prohibición de fumar o producir chispas en la cámara de regulación y medida, en número suficiente y en lugares visibles. El utillaje de la cámara de regulación y medida deberá estar fabricado con materiales no susceptibles de provocar chispas. La válvula de seccionamiento exterior a la cámara estará claramente señalizada.



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6.2 DISEÑO Y MONTAJE DE ESTACIONES RECEPTORAS 6.2.1 ESQUEMA GENERAL DE LA INSTALACIÓN En general, la composición de las estaciones receptoras se ajustan a los esquemas generales de las Figuras. 6.1 y 6.2, según que correspondan a estaciones de servicio interruptible o de servicio continuo, adecuándolas a las necesidades de cada usuario. Estos esquemas se simplifican suprimiendo algún elemento según la categoría de la estación y los caudales que circulan por ellas. Las estaciones de servicio interruptible están constituidas básicamente por una sola línea de regulación, con válvula laminar de bypass y las de servicio continuo por una doble línea en paralelo, ambas de la misma capacidad, figurando la segunda como reserva. En algunos casos, la segunda línea se deja siempre abierta y se calibra a una presión ligeramente inferior a la primera, de forma que cualquier anomalía de ésta origina la puesta en marcha automática de la reserva.

Cada línea constará de: uno o dos filtros (para permitir su limpieza sin interrumpir el filtrado); cambiadores de calor (sólo necesario para reducir la presión en más de 10 bar y en zonas frías, siendo obligatorio en las estaciones de la categoría II); válvula de seguridad de máxima y mínima presión (incorporada o no al regulador), regulador de presión (con o sin monitor o piloto); válvula de escape o alivio (segunda seguridad de máxima); y, finalmente, contador. Las líneas estarán provistas de dos juntas dieléctricas, una a la entrada y otra a la salida para aislar eléctricamente la estación receptora del resto de tuberías; una toma de tierra, un conjunto de válvulas de bypass y de cierre, y conjunto de manómetros ~ termómetros. Tanto en el caso de línea única como en el de doble línea en paralelo, el contador será único, permitiendo el registro de flujo tanto de una línea como de la de reserva. Un bypass precintado por la compañía distribuidora de gas, y una brida ciega, permitirán, en caso de bloqueo del contador por avería, romper el precinto, retirar la brida y dar paso al gas por el bypass, avisando a la compañía del incidente. En el proyecto de las estaciones receptoras, se deberá tener en cuenta los siguientes extremos:

Presión mínima del gas suministrado;

Presión máxima del gas suministrado;

Pérdidas de carga en tuberías y elementos que integran la instalación;

Salto de presión ( P) disponible en la línea de regulación;

Presión de utilización;

Caudales horarios de gas.



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Figuras 6.1 y 6.2

Esquema de estaciones receptoras de gas



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Estos extremos determinarán la capacidad y tipo de todos los aparatos.

A la entrada del ramal de abonado al límite de la propiedad se situará una válvula de seccionamiento de apertura y cierre rápidos, a la que tendrá acceso la Empresa suministradora de gas. Junto a la estación receptora del usuario se coloca otra válvula de cierre rápido (válvula de bola), a distancia conveniente de dicha estación, de forma que, caso de siniestro en la misma, pueda maniobrarse sin peligro. 6.2.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS Como hemos visto en los esquemas anteriores, las estaciones receptoras están compuestas de una serie de aparatos y válvulas, cuyas características vamos a describir someramente: a) Válvulas de cierre Las válvulas son siempre elementos imprescindibles de toda instalación, ya que afectan a la manutención, entretenimiento y reparación de eventuales averías. Su misión es la de aislamiento de los aparatos o de la regulación manual. Las cualidades que se exigen a las válvulas son:

Cierre hermético (interno y externo);

Apertura o cierre suave y, en algunos casos, rápida (un cuarto de vuelta);

Mantenimiento mínimo;

Resistencia al desgaste mecánico y químico;

Resistencia a la presión de servicio. Todas las válvulas de las estaciones receptoras deben ser de acero, admitiéndose tan sólo válvulas de fundición, en determinadas condiciones, en la zona de baja presión. Sus diámetros deben corresponder a los de las tuberías o aparatos a las que van unidas, y sus presiones nominales de servicio deben corresponder a las de trabajo máximo.

Las válvulas podrán ser:

Válvulas de compuerta;

Válvulas de mariposa;

Válvulas de bola;

Válvulas de macho cónico;

Válvulas de laminación. Las válvulas de compuerta resultan de tamaño considerable y de maniobra lenta. Es difícil conseguir una buena estanquidad, a la larga, tanto en la



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cuña de cierre, como en su eje, cuya estopada debe apretarse periódicamente y cuyo husillo roscado debe engrasarse para evitar oxidaciones y agarrotamientos. Las válvulas esféricas de mariposa y las de bola permiten obtener una sección de paso igual a la de la tubería y, por tanto, una pérdida de carga prácticamente nula; su tamaño es reducido, y el par de maniobra, débil; el cierre y apertura son rápidos, por un cuarto de vuelta, y su mantenimiento es prácticamente nulo. Las válvulas de macho cónico tienen un difícil ajuste para altas presiones, debiéndose conseguir la estanquidad introduciendo por el tornillo de alimentación grasas consistentes a presión que, poco a poco, penetran por arrastre en la canalización. Su apertura y cierre es suave y rápido. Las válvulas de laminación tienen por objeto regular un caudal de gas o su presión por estrangulación del paso del gas, y están concebidas para obtener una obturación progresiva. Su presión normal de servicio está comprendida entre 10 y 70 bar. Elementos a tener en cuenta para la elección y montaje de una válvula El instalador o el usuario que consulta a un fabricante de válvulas, debe tener en cuenta los siguientes parámetros para su elección:

a) Naturaleza del gas; b) Presión máxima de servicio; c) Diámetro nominal; d) Pérdida de carga interna a plena abertura; e) Sistema de empalme a las tuberías (roscado, bridas); f) Dispositivo de maniobra de la válvula (volante cuadrado);

g) Condiciones de instalación y posibilidades de mantenimiento (riesgo de bloqueo de su accionamiento por el hielo, engrase de las válvulas de mando giratorias lubrificadas, sistema de estanquidad hacia el exterior, prensaestopas, junta tórica, etc.).

En general, en una instalación interior industrial se puede limitar a elegir una válvula del mismo diámetro nominal que el de la canalización donde debe colocarse. Sin embargo, conociendo la pérdida de carga interna, se puede, en ciertos casos, escoger un calibre de paso inferior al diámetro nominal de las tuberías. Esta solución puede aplicarse a las tuberías de gas a media presión (por ejemplo, a partir de un bar), que, dado el elevado precio actual de las buenas válvulas. puede resultar económicamente justificado.



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Generalmente, los fabricantes de válvulas pueden indicar la pérdida de carga de la misma en su equivalencia expresada en metros lineales de la tubería del mismo diámetro nominal. Las válvulas deben instalarse en lugares no peligrosos para su maniobra, fácilmente accesibles y con espacio suficiente para su accionamiento o desmontaje eventual. Cuando en el cuerpo de la válvula figura una flecha indicando el sentido de circulación del gas, debe respetarse ésta en su montaje. En una válvula de asiento (aun en caso de ausencia de flecha), debe montarse de forma que el sistema de estanquidad hacia el exterior (prensa estopa, junta tórica, etc.) no quede en presión cuando la válvula está cerrada; es decir, que en posición de cierre, comunique con la salida y no con la entrada. El sentido normal de cierre de las válvulas es el de las agujas del reloj. Debe evitarse absolutamente la utilización de válvulas que no respondan a esas condiciones. En cualquier caso, deberán respetarse las informaciones e instrucciones del fabricante. Las válvulas pueden ser accionadas automáticamente en lugar de a mano, y su accionamiento puede ser eléctrico (electromagnético o motorizado), hidráulico o neumático.

Dichas válvulas son del tipo de cierre a falta de energía (eléctrica o fluido de mando). En función de la naturaleza de los aparatos de utilización colocados detrás, se puede admitir o no después del cierre por falta de energía de mando, la reapertura automática cuando vuelve dicha energía (caso de cortes de corriente). b) Válvulas de seguridad Son válvulas interceptadoras automáticas, de rearme manual, de máxima y mínima presión a la salida del regulador, situadas antes de éste, y que garantizan el cierre en caso de sobrepresión o presión insuficiente (Figura 6.4). Un obturador, accionado por un brazo a través de un mecanismo de contrapeso, cierra el paso del gas cuando la presión en la cámara del piloto del regulador, tarado para presión máxima y mínima, alcanza dichos valores. En muchos reguladores de presión estas válvulas están incor-poradas a los mismos; deben ser perfectamente estancas en posición desarmada, y su precisión de funcionamiento en el desarme debe ser inferior a 2 %.



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Figura 6.4 Válvula de seguridad

Como doble seguridad, para caso de anormal funcionamiento del regulador de presión (oscilaciones, rotura de membrana, etc.) se coloca a la salida del mismo una válvula de seguridad de resorte —parecida a las válvulas de seguridad de los generadores de vapor— que deja escapar a la atmósfera, mediante un tubo

En realidad, podemos considerar que se utilizan válvulas de seguridad por venteo y bloqueo:

Válvulas accionadas por resorte ó diafragma

Este sistema consta de 2 válvulas de seguridad que actuan al alcanzarse en el sistema, valores de presion para los cuales han sido calibradas, venteando el exceso de gas a la atmósfera. Estas válvulas se deberan instalar aguas arriba y aguas abajo de la medicion principal. La primera, se dimensionará para evacuar el caudal máximo que entrega el o los reguladores totalmente abiertos, cuando la presion de entrada sea la máxima; la segunda válvula, solo deberá evacuar el caudal autorizado.



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Para la válvula de seguridad, aguas abajo del sistema de medicion, la presion de apertura será un 10 % mayor que la sobrepresion garantizada por el fabricante de los reguladores, y la presion de venteo, un 10 % por encima de ésta. Para la válvula de seguridad, aguas arriba del sistema de medicion, la presión de apertura será como maximo, un 10 % menor que la presion de diseño de la instalacion, de forma tal que la presión de venteo, alcance dicha presión de diseño.

Sistema de Seguridad por Bloqueo del Paso de Gas Este sistema está constituido por la válvula de bloqueo automática propiamente dicha y una válvula de seguridad por alivio. Al producirse una sobrepresion en la instalación, la válvula automática de corte actuará interrumpiendo el suministro de gas, al llegar la presión al valor de calibración de la misma. La válvula de seguridad por alivio se instalará al solo efecto de absorber las posibles pérdidas que pudieran producirse por defectos en el cierre de la válvula de bloqueo. Estas válvulas se instalarán aguas arriba de la medición principal y aguas abajo de la regulación, y se dimensionarán para evacuar el 10 % del caudal autorizado, siendo su presión de apertura superior a la de corte. Las válvulas de bloqueo serán de accionamiento neumático, debiendo tomar la señal de control aguas abajo de la etapa de regulación, e instalándose aguas arriba de ella. La válvula a seleccionar deberá ser del tipo "aire para abrir" (normalmente cerrada) y su reposición será manual, por tal razón no se admiten válvulas de accionamiento a contrapesos. Estas válvulas podrán estar compuestas por un actuador, cuerpo y obturador, sistema de pilotos y de ser necesario, un controlador.

c) Sistema de Odorización

Para aquellas instalaciones a las que se suministra el gas sin odorizar y que posean artefactos que no intervienen en el proceso industrial, tales como cocinas calefones, calderos de agua caliente, laboratorios etc., será imprescindible instalar un sistema de odorización Estos sistemas son usualmente del tipo de odorización por arrastre, dependiendo su dimensionado del caudal a consumir. Generalmente se usan de dos tipos.

Odorización por Mecha El odorante contenido en el recipiente asciende por la mecha y se difunde en la vena gaseosa, tal como se ve en la fig Nº l2.



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Odorizacion por Derivación En este caso, se deriva una parte de la corriente de gas, aproximadamente 0.1 a 0.2 %, hacia el recipiente contenedor arrastrando los vapores de odorante que contiene el mismo, y reinyectándose nuevamente en la corriente principal, como se ve en la fig. Nº 13.

También existen otros sistemas de odorización de inyección directa, por bomba o goteo, que no son de aplicación general en la industria. Los sistemas de carga o reposición de líquido odorante podrán ser manuales o automáticos. Es conveniente hacer notar que en plantas donde el gas se deriva a procesos industriales, no es necesario efectuar la odorización, e inclusive existen procesos en los que la presencia de derivados del azufre, aportados por el odorante, resultan perjudiciales. Para aquellos casos en los que no se odoriza todo el sistema, y solo se lo requiere en los servicios auxiliares, el equipo de odorización se podrá ubicar en la línea de abastecimiento de setos y no necesariamente dentro de Planta de Regulación y Medición. Es conveniente instalar estos sistemas en las zonas de menor presión ó donde esta sea más estable, lo que hará económicamente más viable su instalación.

Las condiciones que debe cumplir todo líquido destinado al proceso de odorizacion deben ser:

No tóxico

Volátil a temperatura ambiente

No causar vómitos ó nauseas

Ser termicamente estable

Ser quimicamente inactivo

Poseer bajo contenido de derivados sulfúricos

Quemar completamente y en forma no tóxica

No ser absorbido por suelos, paredes o tuberías

Tener olor carácteristico e inconfundible.

Tener bajo umbral de percepcion olfativa

No provocar acostumbramiento. Los odorantes mas utilizados actualmente en la Republica Argentina Para Gas Natural

Mezcla de 80 % de butil mercaptan con 20 % de metil-etil-sulfuro. Dosificación: 6 a 8 mgr. por m3 de gas natural 0.20 a 0.25 % de concentracion perceptible ga

Para Gas Liquido de Petroleo

Etil-Mercaptan Dosificación. 1.250 Kg. por 100 m3 de líquido. 0.10 a 0.15 % de concentración perceptible gas-aire.



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6.3 OPERACIÓN DE LIMPIEZA Para proteger de la erosion, por las particulas en suspension en el gas, a las válvulas, reguladoras y elementos de medición es conveniente la instalacion de algun tipo de separador.

El sistema separador se deberá proyectar atendiendo a las condiciones del gasoducto que alimenta el fluido a la E.R.M.P.

Si el suministro es atendido desde un gasoducto troncal, es indispensable contar con un separador de polvo, y si el proceso industrial lo requiere, se podra completar con un separador de líquidos.

Si el suministro viene de una red alimentada desde una estación reductora del distribuidor, generalmente con separadores de polvo y liquido, solamente es necesaria la instalacion de separadores de polvo, porque siempre es posible encontrar particulas de Fe3O2 e impurezas que pueden provenir del mismo conducto, por nuevas soldaduras, abrasión de la tubería, polvo negro, etc.

6.3.1 Sistemas de Filtrado En condiciones normales, los elementos que podrían forman hidratos reaccionan en el interior de las tuberías de acero que transportan el gas a altas presiones y grandes distancias, formando el llamado polvo negro, principalmente conformado por óxido de hierro, estableciendo la conveniencia de instalar 2 tipos de filtros : Cartucho para atrapar pertículas normales y magnéticos, para captar las finísimas partículas de polvo negro (- 1 micra).

a) Filtros tipo Cartucho

Los filtros de las estaciones receptoras, que trabajan a la presión de la red de alimentación, son siempre cilindros con el elemento filtrante en forma de «cartucho». El cuerpo exterior del filtro está formado por un cilindro de acero, provisto de las tuberías de entrada y salida de gas, de una tapa o registro que permita sacar el cartucho filtrante fuera del mismo para su lim-pieza y de un grifo de purga (y de descompresión) para extraer la posible agua de condensación. El cartucho filtrante propiamente dicho está constituido por un cilindro de chapa perforada alrededor del cual se adapta exteriormente el material filtrante formado por un filtro o fibra sintética. Los filtros deben estar equipados con un dispositivo de manómetro diferencial entre la entrada y salida de gas, que permita controlar la pérdida de carga. El gas penetra en el filtro entre el cuerpo exterior y el cartucho filtrante, y sale por el centro del mismo después de filtrado (véase figura 6.3). El elemento filtrante debe de tener una capacidad mínima de 2 cm2 por cada Nm3 de capacidad horaria



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de la línea. El filtro debe retener, en función de la granulometría de las im-purezas:

Polvo : 98 % hasta 5 micras, Agua : 100% hasta 20 micras.

Figura 6.3 Diferentes tipos de filtros utilizados en las instalaciones de gas natural

El calibre del filtro se determina por el tipo de gas, por la presión de servicio máxima y mínima, por el caudal máximo a filtrar, por la pérdida de carga admisible y por el tamaño de las partículas de impurezas. En cuanto a la separacion de líquidos, el sistema mas eficaz resulta el tipo multitubo horizontal con chicanas, que basicamente es una caja de laberintos donde la vena fluida es sometida a multiples cambios de direccion, provocandole una gran turbulencia. Las gotas de liquido se adhieren a las paredes de las chicanas y son arrastradas a los bolsillos o pestañas, donde quedan retenidas, cayendo luego hacia el fondo del recipiente por gravedad. El drenaje de estos residuos se efectuara hacia pozos absorbentes o pozos de quemado, pero anteponiendo un tanque de choque para mantener el liquido a presion atmosferica.



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Es conveniente realizar un estudio previo del terreno, para evitar contaminar las napas freaticas o ríos subterraneos. Para el diseño de los separadores, se tendran en cuenta las presiones máx. y mín. de operación, el caudal máx. horario, la caida de presion admitida y la cantidad de liquido presente en el fluido. . b) Filtros Magnéticos

Figura 6.4 Filtros Magnéticos

El filtro Magnom que se muestra en las vistas de la Figura 6.4 en la forma que se instala en planta, consiste básicamente en un magneto que forma el campo magnético donde quedarán atrapadas las partículas de Oxido de Fierro del fluido. A ambos costados del magneto se ubican láminas metálicas que magnifican el campo magnético. Un detalle importante en el diseño consiste en que las placas metálicas son láminas delgadas mas largas que el cuerpo del magneto con perforaciones en U que es por donde transcurre el flujo; en esta forma el efecto de limpieza resulta más efectivo y no representa mayor impedimento en el paso del fluido involucrando muy poca caía de presión en el circuito. Cada conjunto de magneto con placas constituye un núcleo, pudiendo variar la cantidad de núcleos requeridos para cada Unidad de Filtrado. En el caso del gas natural, tenemos la impresión de resultará relativamente fácil la separación de las partículas por efecto del campo magnético, pero tendremos que comprobarlo. La vista gráfica de la forma en la que trabaja el filtro se muestra en la Figura 2 y puede apreciarse en forma animada en Internet.



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Figura 6.5

Filtración Magnética

6.3.2 SISTEMA INHIBIDOR DE FORMACION DE HIDRATOS

Los hidratos son compuestos de inclusion, formados por moléculas de agua e hidrocarburos intersticiales. Esto quiere decir que los vacios intermoleculares del agua presente, son ocupados por moleculas de los hidrocarburos componentes del gas.

Su forma física, es semejante a una sal orgánica con aspecto similar al hielo.

Se suelen formar en zonas donde aumenta la turbulencia, como ser, válvulas de bloqueo, válvulas reguladoras, placas orificio, cambios bruscos de direccion ó diametro etc. Cuando esto sucede en las valvulas reguladoras, comienzan a producirse problemas en el funcionamiento de las mismas. Los sistemas usados para impedir la formacion de hidratos, pueden ser:

Calentadores Indirectos de Gas

Sistema de Inyección de Elementos Inhibidores (Anticongelantes)

a) Calentadores Indirectos Las estaciones receptoras deberán ir provistas de un sistema de calentamiento del gas de forma que éste, después del enfriamiento producido en el regulador, no tenga a la salida del mismo una temperatura inferior a + 5 ºC. Son cuerpos cilindricos, que tienen un liquido intermediario (generalmente agua), una serpentina sumergida en el fluido, un tubo de fuego, chapas deflectoras, chimenea y un sistema de quemador.



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Su funcion es la de entregar calor para elevar la temperatura del gas en la misma proporcion que la que pierde en el salto de presion en alguna valvula, por ejemplo, de manera tal que su temperatura a la salida de la misma sea superior a la de formacion de hidratos. Se debera tener en cuenta que el gas utilizado en el funcionamiento del calentador deberá ser tomado de una toma instalada "aguas abajo", de la medicion prevista. Para el cálculo del calentamiento se considera que para el gas natural, como hemos dicho, cada reducción de la presión de 1 kg/cm2 provoca un enfriamiento de 0.5 ºC en el gas. La precisión en la regulación de la temperatura será tal que la temperatura

del gas no podrá variar en 5 ºC.

Los dispositivos de calentamiento del gas pueden estar constituidos:

Por una resistencia eléctrica en el caso de cámaras de bajo caudal;

Por un intercambiador de calor situado en la línea de regulación y antes del regulador; está alimentado por agua caliente, procedente de una caldera independiente o de una fuente de calor existente en la industria.

Las calderas que alimentan los intercambiadores se instalarán o bien al aire libre o en un local separado de la cámara de regulación y medición. b) Sistemas de Inyeccion de elementos inhibidores Constan de recipientes contenedores del liquido inhibidor, generalmente metanol, que por gravedad ó medios mecánicos, en el caso de grandes caudales, se dosifica en la vena gaseosa. Generalmente se instala un visor a efectos de controlar el pasaje del liquido o su goteo en caso de bajo caudal.



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6.4 OPERACIÓN DE REGULACION Los «reductores» de presión son aparatos que reducen la presión de gas Pe a la entrada del aparato, a una presión Ps, inferior a la salida del mismo. Ello es debido a la pérdida de carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla pasar por un orificio de sección S inferior a la del paso de gas a la entrada y salida del aparato. El aparato más sencillo está constituido por un orificio, más o menos descubierto por un obturador (válvula o grifo), maniobrado a mano, para obtener la presión deseada. Según el régimen de derrame de un gas a través de un orificio de sección S, existe una relación entre la presión de entrada Pe, la presión de salida Ps, y el caudal másico (o caudal Q0 del gas, expresado en las condiciones normales de temperatura y presión). Igualmente, cualquiera que sea una de las presiones (entrada o salida) y el caudal de gas, existe un valor de la sección S que permite fijar la otra presión (a la entrada o salida al valor deseado) dentro de los límites de funcionamiento del aparato. Se ve también que la idea de reductor no puede separarse de la idea de regulación; en efecto, si el objeto principal del aparato es el de reducir la presión del gas, la presión de salida del mismo que se desea obtener deberá mantenerse dentro de ciertos límites, lo que implica un regulador; por el contrario, si el objeto principal del aparato es el de regular una presión, eso no puede lograrse más que por una caída de presión a través del aparato, lo que implica un reductor. Cualquiera que sea el objetivo del aparato, este es un reductor-regulador comúnmente conocido con el nombre simplificado de «regulador».

El principio de funcionamiento de un regulador está constituido (Figura 6.7) por un equipo móvil provisto de un obturador cerrando más o menos el paso de la sección S; una pared deformable y estanca sobre la cual se ejerce una fuerza (peso, muelle o piloto); un vástago, deslizante en una junta estanca J, solidario de la membrana y del obturador y, finalmente, un tubo de comunicación C entre el espacio debajo de la membrana y la tubería de entrada o salida del aparato, según se quiera mantener constante la presión de entrada o la de salida del mismo. Cualquier variación de presión que se produzca en esos puntos hará subir o bajar la membrana, que por medio del vástago solidario abre o cierra el paso S del gas, restableciendo la presión deseada. Las distintas presiones en el transporte y distribución de gas, así como en la alimentación de los quemadores de los usuarios, exige la instalación de reguladores de presión cuya función específica es:

Reducir la presión del gas al límite deseado.



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Mantener prácticamente constante y sin oscilaciones dicha presión reducida, aunque varíe entre ciertos límites la presión a la entrada del regulador y se mantenga un campo de caudales dentro de límites definidos.

Figura 6.7 Principio de funcionamiento de un regulador

Las cualidades que debe reunir un regulador son:

Fidelidad: Un regulador es fiel si, colocado en las mismas condiciones de presión de entrada y caudal, para una regulación determinada, da siempre, en régimen permanente, la misma presión de salida.

Precisión: La precisión de un regulador está caracterizada por la diferencia entre los valores máximos y mínimos de la presión de salida para una regulación determinada del aparato y por todos los valores de la presión de entrada y de caudal correspondientes a su campo de variación.

Sensibilidad: Como consecuencia de las imperfecciones mecánicas, cuando el régimen de funcionamiento de un regulador cambia, el obturador permanece inmóvil durante cierto tiempo. La presión de salida p correspondiente al caudal inicial Q, variará hasta alcanzar un nuevo valor p’. El obturador entrará en funcionamiento en ese momento. La sensibilidad del aparato se caracteriza por la diferencia de valor entre p y p’. El aparato es tanto más sensible cuanto más próximos sean los valores p y p’.



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Estabilidad: Consideremos un sistema en régimen permanente. A consecuencia de una perturbación (variación de presión o variación del caudal, por ejemplo) el regulador reacciona (las partes móviles del reductor entrarán en acción). Si el sistema es estable, alcanzará un nuevo régimen permanente después de un corto período de régimen transitorio, en el transcurso del cual los diferentes valores no presentarán grandes oscilaciones (ni bombeo ni vibraciones).

Estanquidad al cierre: Normalmente, es necesario que al cierre del obturador, el caudal sea nulo, con objeto de evitar peligrosas subidas de presión.

Sobrepresión al cierre: Según la red de tuberías a la que el reductor está conectado, y según la manera de realizarse la interrupción del caudal, el reductor puede dar una presión de salida que crece cuando se produce el cierre. Esta sobrepresión se llama sobrepresión al cierre. Se corrige mediante una pequeña válvula de seguridad que descarga en la atmósfera dicha sobrepresión.

Límites de presión y de caudal: Todo regulador-reductor funciona siempre entre los siguienres límites:

a) De presión de entrada: presión máxima de servicio (inferior a la presión

nominal en general) y presión mínima de funcionamiento. b) De caudal: desde el cierre hasta la abertura máxima del obturador, el caudal

va aumentando, y su máximo es función de las dimensiones geométricas del obturador y de las condiciones de presión.

c) De presión de regulación: cada reductor está concebido para proporcionar

una cierta gama de presiones de salida. Según su manera de funcionar, los reguladores-reductores son de acción directa (de muelle, de contrapeso, o de campana) o de acción indirecta (piloto). Los primeros, en caso de falta de presión o rotura de membrana, quedan abiertos. Los segundos, en el mismo caso, se cierran. Según su sistema de regulación pueden ser: de acción proporcional, de acción integral, de acción derivada y de regulación compleja. En la reducción de presión del gas natural, éste se enfría, puesto que obedece menos las leyes de los gases perfectos, para los cuales la reducción sería globalmente isotérmica. Para el gas natural la disminución de temperatura es del orden de 0,5 0C por cada kg/cm2 o bar de reducción de presión.



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La variedad de tipos y variantes de reguladores que se encuentra en el mercado es lo suficientemente amplia para resolver todos los problemas que puedan plantearse en la industria. A título ilustrativo, mostramos en las Figuras 6.10 a la 6.14 el esquema de varios tipos de reguladores, accionados por piloto o por resorte. Los reguladores de resorte o de contrapeso son de acción directa y se utilizan cuando la diferencia de presión dP con relación al valor de consigna Pr es suficiente para accionar mecánicamente, mediante contrapesos, o resorte, la válvula de regulación. Estos aparatos, en caso de falta de presión o de rotura de la membrana quedarán abiertos. Los reguladores accionados por piloto son de acción indirecta, siendo indispensables cuando la potencia necesaria para modificar la acción de paso S exige un dispositivo amplificador llamado piloto (permitiendo además variar a voluntad la presión de consigna) accionado por la presión de entrada del gas.



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Varios tipos de reguladores llevan incorporado al mismo la válvula de seguridad de máxima y mínima presión (figuras 6.10 y 6.13).

Los requisitos que debe cumplir un buen regulador son los siguientes:

El cuerpo del regulador debe ser de acero, fundición o aleaciones especiales, de acuerdo con las presiones nominales de trabajo.



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El cierre de la válvula de regulación debe ser perfectamente estanco a caudal nulo.

La presión en la regulación será inferior a ± 2 % de la presión de salida regulada, para una gama de caudales comprendida entre el 3 % y el 100 % del caudal nominal.

El regulador debe funcionar correctamente entre los límites antedichos sin producir oscilaciones llamadas de «bombeo» y con toda seguridad en presencia de gas a —10 ºC, estando la temperatura exterior hasta —20 ºC.

La zona de regulación estará comprendida entre 20 % y 100 % de la presión máxima regulada.

La unión del regulador con la línea se realizará por medio de bridas con resalto. Para diámetros iguales o inferiores a 2 pulgadas, la unión podrá ser roscada, siempre que el acoplamiento al resto de la instalación se efectúe mediante bridas.

Es recomendable que el caudal nominal del regulador se pueda modificar mediante un cambio cómodo y conveniente del «obús» de restricción de paso, mientras el aparato está colocado en la línea.

Para saltos elevados de presión, se recomienda el uso de dos reguladores en cascada.

La regulación, sobre todo cuando la reducción de presión es elevada, produce, en algunos casos, un silbido que, según el nivel sonoro, puede molestar y crear perturbaciones al personal o a los vecinos. La elección del regulador se hará teniendo en cuenta este inconveniente. Si el nivel sonoro es elevado, será preciso prever un aislamiento acústico, sea en la cámara de regulación, sea en los aparatos. Puede estar compuesto por una ó varias válvulas reductoras-reguladoras, autoperadas ó con controlador neumático automático. Las primeras, son válvulas en las que, para mantener la presion regulada, la misma variable a controlar, acciona su parte motriz. Generalmente, se establece un equilibrio, a través de un diafragma, entre la presion regulada y un resorte antagónico ó un piloto. Para el caso de las válvulas con controlador automático-neumático, el control de la presión regulada se hace a través de un dispositivo que actua sobre el actuador de la válvula, posicionando la misma en funcion de los requerimientos instantaneos. En todos los casos, al seleccionar una válvula reguladora-reductora, la presion controlada no debe variar en más del 10 %, salvo para casos excepcionales, como cuando no existe una válvula que se adecúe a este rango. En este



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caso se podrá admitir hasta una variacion de un 20 % para condiciones de caudal extremas, ó sea entre el máximo y el mínimo. Para el dimensionado de los reguladores debera tenerse en cuenta las presiones: máx., mín.y regulada y los caudales: máx., mín. y normal. Es condicion necesaria que el regulador-reductor, suministre el caudal máx. para las condiciones de presión mín. de entrada. Asimismo, se debe asegurar que cuando la presión de suministro sea la máxima, el regulador no trabaje por debajo del 20 % de su apertura y que su cierre sea hermético cuando el consumo sea cero. Puede darse el caso de que la presion regulada sea mayor que la mínima de suministro. En este caso, se puede tomar una presion operativa mayor a la mínima de suministro, debiendose avisar al usuario sobre los inconvenientes que podrian surgir por este motivo. Como alternativa, para los casos de necesitarse una presion regulada mayor que la mínima de suministro, se puede colocar un sistema compresor de gas. También, para la selección de la válvula, se deberá tener en cuenta la variación en el consumo a fin de poder adoptar el tipo de cuerpo, obturador y controlador que cubra las necesidades requeridas. En aquellos consumidores que, por su forma de operar, resultase impracticable la interrupción del suministro del fluido, deberá preveerse un ramal de regulación de reserva. Este sistema, también deberá adoptarse en los hospitales, asilos, centrales térmicas, escuelas y demás establecimientos de este tipo. Para aquellas instalaciones en las cuales el caudal varía notablemente, (rango de variación elevado), es aconsejable colocar un regulador-reductor para los periodos en que los caudales resulten mínimos. Esta válvula se montará en paralelo con el sistema principal, calibrada a una presión de salida superior al mismo. Para el caso de aquellas instalaciones en las que por razones de seguridad, no se permiten válvulas de seguridad por alivio y que por el tipo de proceso no admitan válvulas de corte por sobrepresión, se pondrá un sistema del tipo monitor, con el cual se minimizan las posibilidades de corte ó venteo de gas a la atmósfera. En todos los casos, las válvulas reguladoras deberán ser instaladas entre válvulas de bloqueo, y para aquellas con extremos roscados, se preverán bridas que posibiliten su remoción.



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6.5 SISTEMAS DE MEDICIÓN DE FLUJOS La medición del flujo de gas natural en la ERMP sirve para efectos de medición fiscal y transferencia de custodia, por lo cual los contadores que serán admitidos deberán estar homologados y verificados por las autoridades correspondientes, y serán autorizados de acuerdo con las normas que establezca la Empresa suministradora de gas, pero también resulta de la mayor importancia para desarrollar una efectiva gestión energética en plantas industriales. Para definir las características del sistema de medición debe tomarse en cuenta que el transporte y distribución de gas se contabiliza en volumen, pero en el uso industrial lo que cuenta son las unidades energéticas; por esta razón, se conforman sistemas de medición de energía total, como el que se muestra en la Figura 6.15.

Figura 6.15

SISTEMA DE MEDICION DE ENERGIA TOTAL

Computador

de flujo

Presión Señal

Cromatógrafo

Muestra

BTU, kcal

SISTEMA DE MEDICION DE ENERGIA TOTAL

Temperatura

El medidor utilizado registra una lectura que es procesada en una Unidad Correctora que recibe señales de temperatura, presión y análisis cromatográfico del gas natural para entregar un valor en unidades energéticas por unidad de tiempo. Tomando como referencia el Poder Calorífico Superior oficialmente registrado y contrastado con la mediciones del distribuidor en el City Gate, la facturación se efectuará en unidades volumétricas estándar ( 60°F y 1 atm) o normales (o°C y 1 atm).



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Los medidores de flujo que registran directamente el volumen de gas son del tipo diafragma o rotativos, siendo utilizados principalmente para los sectores de bajos niveles de consumo. Resulta de la mayor importancia para establecer el sistema adecuado de medición, la cantidad de flujo y su velocidad, lo que establece una condición de flujo laminar o turbulento, en función del cálculo del número de Reynolds. En la Figura 6.16 se muestra el efecto tridimensional del flujo laminar y turbulento en un conductor circular.

Figura 6.16

Para el consumo industrial podemos considerar la siguiente clasificación de medidores de flujo de gas natural:

Medidores Diferenciales: Orificio, Venturi, Pitot, Annubar, Tobera, etc.

Medidores en Línea: Turbina, Vórtice, Másicos de Coriolis y Ultrasónicos.

Analicemos los más utilizados y sus características:



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6.5.1 Medidores diferenciales Estos medidores basan su funcionamiento en la determinación del cambio de presión y por lo tanto de velocidad, que se produce en un fluido al circular por conductos de diámetros diferentes y se fundamentan en la Ecuación de Energía de Bernoulli. Los medidores más utilizados de este tipo son los siguientes:

a) Placa Orificio

Se basan en la determinación del volumen de gas transportado en el tiempo, midiendo la caída de presión y temperatura que se originan en el conducto, al interponerse en el pasaje del gas una placa con un orificio calibrado, que mediante un instrumento registra el diferencial de presión antes y después del orificio. Un equipo integrador conjuga los valores de presión regulada, presión diferencial y temperatura, y permite inferir los valores del gas consumido, por lo que a este sistema se lo conoce como Medidor Inferencial Para usarse la placas de medición, se deben respetar ciertas longitudes, de la tubería, aguas arriba y aguas abajo de la placa, las cuales dependen del diámetro de la tubería, para evitar las turbulencias. El conjunto forma un Puente de Medición, como se muestra en la figura: Las dimensiones del Puente de Medición pueden reducirse sensiblemente mediante el montaje de un enderezador de vena que consiste en una serie tubos mandrilados instalados aguas arriba del punto de medición, cuya función es evitar la turbulencia (Figura 6.17).



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Figura 6.17

VENTAJAS

• Normas y estándares bien documentados • Amplio uso y gran aceptación a nivel industrial • Bajo costo en la inversión y su instalación • No posee partes móviles en la línea de flujo • No tiene limitaciones en cuanto a temperatura y presión • Sistema de lectura electrónicos disponibles para el cálculo de flujo

DESVENTAJAS

• Bajo rango de operación para un determinado diámetro de orificio • Relativas altas caídas de presión para un flujo determinado

particularmente a bajos β • Muy sensible a perfiles no uniformes de velocidad

b) Tipo Venturi

Menor diferencial de presión Fluidos con sólidos Para Re>105 coeficiente de descarga exactos VENTAJAS Baja caída de presión comparado con los restantes medidores

diferenciales



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Excelente uso para fluidos con sólidos DESVENTAJAS Rango de operación limitado, solo utilizado en aquellos sistemas

donde el rango de flujo es bien conocido Costos altos Rango de exactitud: 1% Unidades grandes y de gran peso lo que dificulta su manejo e

instalación

b) Tubo Pitot

Fluidos Limpios Inversión Baja Diferencia entre presión total y presión estática c) Sonda Annubar



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6.5.2 Medidor tipo Turbina

Los contadores de velocidad o de turbina están constituidos por un tramo recto de tubería, en cuyo interior está colocada una hélice o turbina, teóricamente sin frotamientos, apoyada en cojinetes y manteniendo su eje en el centro de la tubería. La velocidad de rotación de la hélice debida al paso del gas es proporcional a la velocidad de circulación del mismo y, por tanto (como la sección es constante), al volumen de gas que circula. La hélice está protegida por un cuerpo central que solamente permite el paso del gas a través de un reducido espacio anular frente a las paletas de la turbina; ello tiene por objeto aumentar la velocidad de paso del gas en la hélice y ejercer sobre la misma esfuerzos apreciables. Los contadores de turbina, llamados también contómetros, pueden estar dispuestos formando un codo en lugar de un tramo recto (fig. 6.18), con el rodete colocado en un eje vertical. Estos contadores ocupan menos espacio que los anteriores. El caudal mínimo y el máximo están en la relación de 1 hasta 12 para esa serie de contadores. Debe evitarse que el gas que atraviesa el contador arrastre partículas o polvo capaz de provocar erosiones sobre las paletas de la hélice, lo que modificaría la medición.

Figura 6.18

Cuantómetro de turbina G.W.F.



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El contaje del número de vueltas de la hélice se realiza por dispositivos de célula fotoeléctrica para los contadores pequeños o directamente por cuenta revoluciones mecánico para los - contadores importantes. Los contadores de turbina tienen una curva de error variable de un tipo a otro, pero de suficiente precisión entre límites comprendidos entre 1 y 10. La curva de errores varía ron el desgaste de los órganos en movimiento. Si la hélice se bloquea, el gas no se contabiliza, pero puede atravesar el contador sin que la pérdida de carga suplementaria delate la anomalía. Así como los contadores volumétricos y de turbina se fundamentan en la medición directa del volumen que ha circulado por los mismos en las condiciones de presión y temperatura registradas (y que, posteriormente, debe ser corregido para llevarlo a las condiciones de presión y temperatura de referencia normalizadas), el contador deprimógeno registra en un gráfico el caudal instantáneo que atraviesa el diafragma, caudal que posteriormente debe ser integrado para traducirse en volumen total, en las condiciones de presión y temperatura existentes a la entrada del medidor, que asimismo debe corregirse para llevarlo a las condiciones de referencia normalizadas. Salvo indicación en contra, los contadores volumétricos se recomiendan para instalaciones de bajo caudal que no superen los 150 m3/h, medidos a la temperatura y presión de trabajo. No obstante, se fabrican contadores volumétricos de gran capacidad (hasta 30 000 m3/h e incluso superiores). En las instalaciones de caudal medio, comprendidas entre 150 y 2 000 m3/h (medidas igualmente en sus condiciones de trabajo), pueden usarse indistintamente contadores volumétricos de turbina o diferenciales. Para instalaciones de caudal alto, superiores a 2 000 m3/h, se aconseja utilizar un medidor diferencial (debido principalmente al elevado coste de los contadores volumétricos).



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VENTAJAS

Buena exactitud dentro del rango de operación del medidor

Equipos electrónicos disponibles para lectores de flujo en corto tiempo y alta resolución

Costos medios de inversión comparados con otros tipos de medidores

Excelente rango de operación a altas presiones

DESVENTAJAS

Revisión periódica de todos sus componentes para garantizar una buena exactitud

Rango de operación a bajas presiones se asimila a otros medidores

Requiere perfil de velocidad uniforme

6.5.3 Medidores tipo Vórtice (VORTEX)

Inestabilidad de un flujo cuando se somete a obstáculos: creación de vórtices A una distancia conocida y volumen constante entre vórtices se determinan los vórtices formados Factor del medidor es igual para gases y líquidos Alta exactitud y precisión. No admite pulsaciones de flujo VENTAJAS

Rango amplio de operación con señal de salida lineal

Para fluidos limpios su desempeño es estable



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La señal de salida puede ser leída por instrumentos electrónicos

Instalación simple, costos moderados de inversión

Efectos de viscosidad, presión y temperatura son mínimos

No posee partes móviles en contacto con el fluido

DESVENTAJAS

Perfil de flujo uniforme, libre de remolinos y chorros

No disponible en tamaños mayores a 8‖

Rango de numero de Reynolds bajo

6.5.4 Medidor de Flujo Másico

Deformación de la vibración de un tubo por oscilación debida al flujo másico del fluido a medir (Efecto Coriolis) En la medición no influyen la temperatura, presión y densidad Son utilizados en sistemas de alta presión Tienen la importante ventaja de medir directamente la masa del gas natural que se está recibiendo en la central, que es lo que cuenta. Al disponer también de un sensor de densidad, simultáneamente proporciona el flujo volumétrico, el cual se corrige con presión y temperatura.



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Montaje en línea de los medidores de flujo másico

6.5.5 Medidores Ultrasónicos

Emisión y recibo de pulsos de sonido a través del fluido La diferencia de tiempo entre la emisión y el recibo de la onda sónica es dependiente de la velocidad de flujo A mayor numero de canales mayor es la exactitud de la medición Su uso se da en tuberías mayores de 4”. VENTAJAS

• No causan caídas de presión • Pulsos de alta frecuencia minimizan los errores por pulsación y

fluctuación de flujo • Instalación sencilla y poco costosa • Alto rango de operación • No posee partes móviles en contacto con el fluido a medir • Calibración mecánica simple mediante chequeo en software de prueba



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DESVENTAJAS

• Requieren potencia para su operación • Perfil de flujo totalmente desarrollado en caso de medidores de un solo

paso • Costos de inversión altos

FACTORES PARA SELECCIÓN DE MEDIDORES

Tipo de medidor

Rango Max. Flujo

Exac. Amplitud Rango

Material Construcción

Tipo Escala

Caída Presión

Diafragma 0.05 a 0.5..1

±1 200:1 Al, Cl, Plastico ZN

Uniforme 0.08

Rotatorio 0 a 1.5 ±1 25:1 Al/300S Acero Bronce

Uniforme 0.04

Turbina 1 a 300 ±1 10:1 a 25:1

Al/Du/Cs/Delm Uniforme 0.04

Orificio 0.2 a 500

±1½ 3:1 FS/SS/CS Raíz Cuadrada

2.50

Coriolis 0..50 0.3 20:1 SS/TI/XX Masa / Uniforme

5

Ultrasonico 0..2.1M 0.5 50:1 FS/SS/ Uniforme 0.5



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CAPITULO 7

Circuito Interno de Gas

7.1 Red interior de tuberías El Gas Natural limpio y seco, a la presión suficiente y adecuada para atender convenientemente todos los requerimientos de consumo en planta, se distribuye por el sistema de distribución interno a las Estaciones Secundarias y trenes de válvulas de los puntos de consumo directo, donde se acondicionan para las condiciones exigidas por los sistemas de combustión en cada punto de consumo. Esta podrá ser más o menos extensa según existan muchos o pocos puntos de consumo, y las distancias de los mismos a la estación receptora sean más o menos grandes. Si las distancias y los caudales no son importantes y los puntos de consumo pocos y próximos, se podrá establecer una red con tubos de diámetro apropiado para tener una pérdida de carga pequeña. En este caso, la presión de distribución puede ser la necesaria para los quemadores, y el gas puede tomarse de la estación receptora a dicha presión incrementada con las pérdidas de carga. Si las distancias y caudales son importantes y los puntos de consumo están espaciados, convendrá, en aras a la economía del coste de la red de distribución, tomar el gas de la estación receptora a presión de 2 a 5 kg/cm2, y admitir una fuerte pérdida de carga en el cálculo de las tuberías. En este caso, la presión será muy variable en los distintos puntos de la red, en función de la distancia a la estación receptora y de las variaciones de consumo de los aparatos de utilización. Como éstos necesitan para su buen funcionamiento una presión lo más constante posible, obligarán a colocar lo más próximo a ellos o al conjunto de aparatos dentro de la misma nave, un grupo de regulación de presión que, alimentado por la variable y alta presión de la red, alimente los quemadores a presión constante y apropiada.



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7.1.1. Determinación del trazado

Debe empezarse por establecer, en cada industria, un plano o esquema del trazado interior que se considere ideal, en el que figuran las indicaciones siguientes:

Tipo de gas y presión disponible a la entrada de la instalación;

Situación de la estación receptora;

Situación de los diferentes aparatos de utilización, con indicación de su potencia nominal (o consumo) y la presión de gas necesaria;

Implantación de locales, situación de pipe tracks, alturas libres de paso y todas las indicaciones análogas cuando éstas puedan exigir sujeciones particulares en lo que se refiere al recorrido de la canalización.

Puntos del recorrido de donde derivarán eventuales extensiones. Sobre el plano así preparado, se puede proceder al trazado de la red interior, destacando:

Disposición de las canalizaciones (enterradas, elevadas, en galería, en conductos, empotradas);

Posición de los accesorios de la canalización que es necesario prever, como: órganos de cierre y accesorios del trazado: curvas, reducciones, etc.;

Reguladores de presión de quemadores;

Aparatos de medición o de control de caudales y presiones;

Válvulas, filtros, potes de purgas, etc. El caudal de gas a transportar en cada tramo de la instalación es la suma de los caudales máximos absorbidos por los aparatos de utilización situados más abajo.



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Los cálculos se hacen en metros cúbicos normales (0º y 760 mm), determinados según el caudal térmico de los aparatos (kcal/h) y el poder calorífico inferior del gas (kcal/Nm3). En el cálculo de los caudales se tendrá en cuenta:

Los máximos de consumo;

Eventualmente, los coeficientes que resulten de la no simultaneidad de utilización de los distintos aparatos;

Las previsiones de futuras ampliaciones de consumo que se deriven de la extensión de la red o de un aumento de caudal en los tramos existentes. El caudal máximo horario contratado por el usuario se incrementará en un 20 % para determinar el diámetro mínimo de la acometida y del tramo de tubería inmediato a la Estación receptora;

La presión del gas en el extremo de la red, antes de los reguladores de los aparatos de utilización.

La presión de gas en la red se expresa en valor efectivo en bar, milibar o kg/cm2 y milímetros de columna de agua. Se tienen que considerar:

Presión de servicio. Es la presión que reina en la parte de red considerada. Puede variar de valor en diferentes puntos de la red, si ésta se halla provista de reguladores alimentando distintos tramos. En caso contrario, tiene por valor la presión de salida de la Estación receptora;

Presión máxima. Es la presión susceptible de alcanzarse en la canalización. Su valor es el de funcionamiento del último órgano de seguridad (válvula, membrana rompible, etc.) colocado más arriba y que fija el límite posible en la canalización en caso de mal funcionamiento del regulador de presión de la Estación receptora;

Presión de prueba. Es igual a una vez y media la presión máxima de servicio. Estando construida la canalización para una presión nominal igual, como mínimo, a la presión máxima de servicio, la presión de prueba puede considerarse como igual a una vez y media la presión nominal.



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7.1.2. Condiciones relativas a ciertos recorridos

La red interna de tuberías de distribución de gas natural se colocará preferentemente, y siempre que no presente grandes dificultades, del tipo aéreo. Es decir, se colocará en elevación, exteriormente o interiormente a los edificios y naves industriales, apoyada en soportes fijados a las paredes, a las armaduras, a las cubiertas, a los pies derechos de los locales o a los pies derechos particulares a la tubería. Siempre que exista un pipe track para soporte de tuberías de agua, vapor, combustible, aire comprimido, etc., se colocarán junto a ellas. Las distancias entre soportes no serán superiores a las indicadas a continuación: Diámetro tubería Distancia entre los pulgadas soportes en metros 0,5 1,8 0,75 - 1 2,4 1,1/4 - 2,1/2 3,0 3 - 4 4,5 5 - 8 6,1 más de 8 7,6 1,25 o mayor (vertical) 1 soporte por piso Las tuberías de gas no deben ser sostenidas por otras tuberías, sino que deben estar instaladas con soportes que tengan la suficiente resistencia. No obstante, cuando el caso lo requiera, se podrán colocar enterradas en conductos o en galerías. En este caso, deberán tomarse las precauciones siguientes:

a) Canalizaciones enterradas

El recorrido de las tuberías enterradas debe escogerse, en lo posible, alejado de:



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Vías férreas y rutas de paso de camiones (riesgo de vibraciones y apisonamiento);

Plantaciones de árboles (empujes en el suelo por desarrollo de las raíces);

Instalaciones eléctricas productoras de corrientes vagabundas, sobre todo corrientes continuas (vías férreas electrificadas).

Debe evitarse: cruzar alcantarillas, recorrer por locales de servicio o bajo locales insuficientemente ventilados a causa del riesgo de acumulaciones de gas en caso de una eventual fuga. Es factible el cruce de alcantarillas o cavidades no ventiladas de cualquier naturaleza, haciendo pasar el tubo por el interior de otro con forro continuo perfectamente estanco en el cruce y desbordando las dos extremidades en el exterior.

Está prohibido colocar, aun en recorrido transversal, canalizaciones de gas en:

Conductos y galerías de humos.

Cajas y conductos de ventilación, salvo cuando ha sido especialmente concebido para ese uso;

Cajas y cuartos de maquinaria de ascensores y montacargas;

Salas de transformadores, cuadros y material eléctrico;

Cubas sanitarias inaccesibles;

Cubas y depósitos de almacenamiento de combustibles sólidos y líquidos;

Tubos de caída de correo o de basuras, así como los recipientes que los contengan.

Espacios vacíos entre paredes. Las tuberías que estén en contacto con tierra u otros materiales corrosivos deben estar protegidas contra la corrosión.

b) Canalizaciones en cajas y galerías técnicas

Debe evitarse el paso de las tuberías de gas por cajetines y galerías por donde pasen otras canalizaciones y cables eléctricos. Podrán cruzarse dichas cajas y galerías por tuberías de gas, cuando éstas pasen por el interior de otro tubo de acero estanco y con ventilación al exterior.



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Cuando sea absolutamente necesario que las tuberías de gas pasen por cajas o galerías por las que no pasen otras tuberías de combustibles o cables eléctricos, dichas galerías deberán estar perfectamente ventiladas.

c) Canalizaciones en cajetines

Las canalizaciones de gas en cajetines tienen la ventaja, en los locales industriales, de permitir una cómoda alimentación de los aparatos utilizando gas, en posición central. Si el cajetín está lleno de arena, la protección de la canalización debe ser análoga a la de las canalizaciones enterradas.

d) Canalizaciones empotradas

Las canalizaciones empotradas son aquellas cuyo recorrido está situado en el interior de muros, cerramientos o suelos. No debe confundirse con atravesar la pared, que es un paso perpendicular a la pared. El empotramiento de las tuberías de gas es desaconsejable en las instalaciones industriales.

e) Canalizaciones de descarga eventuales

Las canalizaciones de descarga eventuales a la atmósfera (válvulas de seguridad, descarga de reguladores, etc.) deben cumplir las condiciones siguientes:

Evitar la creación de una pérdida de carga sensible en la canalización (diámetro suficiente y longitud corta);

Hacer descargar el tubo eventual al exterior, con objeto de evitar la polución y los riesgos de incendio, en lugar situado como mínimo a 2,50 m del suelo y, también como mínimo, a 0,6 m de una abertura de las paredes, ventanas u orificios de ventilación.

f) Situación de la válvula de aislamiento

Debe preverse en el trazado de la red, a la entrada de cada canalización principal, una válvula de mando manual estanca en posición cerrada y, si es posible, de cierre rápido (90 0C) colocada en lugar fácilmente accesible, que permita el cierre completo del suministro de gas a la parte posterior.



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7.2. Características de las tuberías Las tuberías utilizadas para circuitos de distribución interna en plantas industriales pueden ser construidas con hierro fundido, acero, cobre ó plástico.

7.2.1 La tubería de hierro fundido, cuya cualidad mas notable es la resistencia a la corrosión, solamente es aconsejable para bajas presiones, como es el caso de las internas domiciliarias

7.2.2 La tuberia de acero es en la actualidad el material casi universalmente

adoptado para las redes de media y alta presión.

La soldadura puede ser longitudinal o helicoidal y se realizará siempre a máquina. Los procedimientos de soldadura admitidos son los siguientes:

Soldadura eléctrica al arco;

Soldadura eléctrica, por resistencia;

Soldadura automática al arco en atmósfera inerte (usando, por lo menos, dos pasadas de soldadura, una de las cuales se aplicará por la parte interior del tubo).

Las características generales de los tubos, así como las de los elementos y piezas especiales que se utilicen en la instalación, deben responder a las especificaciones de la norma del «American Petroleum Institute 5L grado B» UNE (API) o DIN aceptadas por los Organismos Reguladores de cada país. La presión nominal del tubo no será inferior a la máxima de servicio. Los contenidos máximos en componentes del acero utilizado en la fabricación de los tubos, deben ser: (tubo sin soldadura) < 0,31 %

Carbono (tubo con soldadura) < 0,29 % Fósforo <0,04 % Azufre <0,05 % Azufre ± Fósforo <0,08 % Manganeso <1,30%

El acero empleado en los tubos tendrá una relación entre el límite elástico y la carga de rotura no superior a 0,80 y un alargamiento sobre 5 diámetros en probeta de espesor igual al del tubo no debe ser inferior a 17% para espesores



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hasta 4 mm; 20% para espesores de 5 mm a 7 mm y 22% para espesores superiores a 7 mm. 7.2.3 La tuberia de cobre esta restringida al uso en lineas de control, lineas de

pilotos, conexion de artefactos etc. Tambien puede ser usada en instalaciones internas de baja presion y media presion. No se usarán tubos de cobre donde la presión exceda los 7 Kg/cm2 .

El espesor mínimo de la pared será de 1,0 mm para la union por compresión y de 0.7 mm para la union por soldadura., para tuberias de baja y media. Para alta presión, el espesor mínimo será de 1.6 mm No se usarán tubos de cobre para lineas de impulso de las válvulas de control, salvo que estos formen parte integrante de las mismas. Cuando la tuberia atraviese muros de mamposteria deberá hacerlo embutida en un manguito ó en caso contrario adecuadamente protegida contra la corrosion. 7.2.4 En cuanto a los tubos plásticos, cabe destacar que por su poco peso y

correspondiente facilidad de transporte y colocación, y por no estar expuestos a la corrosión, compiten en la actualidad con los tubos de acero, aunque por otra parte presentan la desventaja de ser dañables por agentes mecánicos, admitir menores presiones y accesorios que limitan aun más aquellas presiones. Su uso está limitado tuberias enterradas, admitiendose hasta una presion máxima de 3.95 [barM] (4 Kg/cm2)

Los plásticos actualmente utilizados son:

P.V.C.(Cloruro de polivinilo)

A.B.S.(Acrilinitrilo-butadieno-estireno)

C.A.B.(Celulosa-acetato-butirato)

P.E.(Polietileno de alto peso molecular)

En menores proporciones: Polipropileno, Poliacetato y fibra de vidrio con resinas epóxi.



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7.3 Determinación del diámetro de las tuberías Para calcular los diámetros de una red interior de tuberías, resulta práctico descomponerla en un conjunto de «tramos», unidos por «empalmes» o «derivaciones» alimentando los «puntos de utilización». Los «puntos de utilización» están situados a la entrada de los aparatos de utilización, inmediatamente detrás de los dispositivos eventuales de regulación (reguladores-reductores). Un «empalme» o «derivación» es el punto en el cual el caudal principal de gas se divide en dos o varios caudales secundarios. Se entiende por «tramo» la longitud continua de tubería, llevando o no accesorios de canalización, recorrida en cada instante, en cualquiera de sus secciones, por el mismo caudal másico de gas. El diámetro de un tramo es constante en toda su longitud; los accesorios de canalización tienen el calibre correspondiente.

Un tramo conecta:

La canalización de la red de distribución desde la estación receptora hasta el primer «empalme»;

Dos empalmes consecutivos;

Un empalme hasta su punto de utilización. Calcular una canalización consiste en determinar el diámetro de cada uno de los tramos, para que, con los caudales previstos:

1) La presión de gas en cada punto de utilización sea siempre superior o igual a la presión mínima necesaria para el buen funcionamiento del aparato;

2) La velocidad real de circulación, en cualquier punto de la conducción,

no exceda de un valor crítico (30 m/s), generador de ruido y vibraciones, teniendo en cuenta el caudal real a la presión de circulación.

Estas dos condiciones son complementarias: la primera, se refiere a la pérdida de carga de la tubería; la segunda, a la velocidad de circulación del gas. En la práctica se observa que:

En las instalaciones en las que la presión a la entrada es poco elevada o próxima a la presión de los puntos de utilización, se calculará el diámetro de los tramos por la pérdida de carga admisible, que resultaría baja. Los diámetros resultantes conducen, generalmente, a velocidades de circulación inferior al límite recomendado;



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En las instalaciones de gas natural a alta presión ramificadas, llamadas en «espina de pescado» y provistas de reductores de presión al final de la canalización principal, la pérdida de carga puede ser relativamente importante. En este caso, resultan diámetros de tuberías reducidos, siendo preciso entonces comprobar el valor de la velocidad de circulación.

Por razones de economía, conviene no sobredimensionar la instalación. Esta última condición es menos imperativa que las dos precedentes. No obstante, siempre que se presente una incertidumbre sobre el valor numérico de un parámetro, se escogerá aquel que dé un aumento del diámetro. Igualmente, los diámetros calculados se redondearán a los diámetros normalizados inmediatamente superiores. Las pérdidas de carga admisible para el cálculo del diámetro de tuberías serán las indicadas a continuación:

Para acometida interior

(Desde válvula de la acometida hasta entrada del regulador) Distribución categoría MPA 2,5 % de la presión mínima de suministro. Como ésta no puede ser inferior a 500 mm e. a., la pérdida de carga no será superior a 12,5 mm. Distribución categoría MPB 2,5 % de la presión mínima de suministro. Como ésta no será inferior a 0,4 kg/cm2, la pérdida de carga no será superior a 100 mm c. a. Distribución categoría API y Distribución categoría APII 2,5 % de la presión efectiva mínima. Para red de distribución interior (Desde válvula salida de la estación receptora hasta puntos de utilización) Distribución categoría MPA 15 mm c. a. Distribución categoría MPB 10 % presión salida regulador. Distribución categoría I (presión salida regulador < 50 mbar) 15 mm c.a. Distribución categoría II Presión salida regulador = 1 a 4 bar kg/cm2) 10 % presión salida regulador En todos los casos, la velocidad de circulación del gas por las tuberías será inferior a 30 m/s.



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En una tubería de diámetro determinado, circulando un caudal de gas correspondiente a una velocidad pequeña, el derrame se hace por filetes paralelos: es el régimen laminar o de Poiselle. Para un caudal correspondiente a una velocidad elevada, se forman remolinos en el gas: es el régimen turbulento o de Venturi. Existe finalmente una zona intermedia donde las leyes del derrame están bastante mal definidas: es el régimen turbado o de Reynolds. En todos los puntos de la instalación, la velocidad de circulacion del gas deberá ser siempre inferior a 40 m/s, para evitar niveles de ruido excesivos y erosión en las tuberías. Para el predimensionado de la red, se adopta una velocidad de 30 [m/s], lo que permite cierto margen de seguridad para calcular el díametro, con la presion absoluta de trabajo y el caudal circulante. Para el cálculo de las tuberías se admitirá cualquier formula, cuyos datos obtenidos respondan por lo menos a las exigencias de las siguientes: a) Para Baja Presión Formula del Dr. POOLE

D2 . h

Q = 2 . s . l donde: Q = Caudal en [m3N/h]

D = Díametro en [cm] h = Pérdida de carga en mm de columna de H2O s = Densidad del gas l = Longitud de la tubería en [m], incrementada con la longitud

equivalente de los accesorios que la componen. b) Para Media y Alta Presión Formula simplificada de RENOUARD válida para Q / D 150 PA

2 - PB2 = 48.600 s L Q 1.82

D 4.82

donde: PA y PB = Presiones absolutas en ambos extremos del tramo, en

[Kg/cm2 A] s = Densidad del gas

L = Longitud del tramo en [Km], incrementada con la longitud equivalente de los accesorios que la componen.

Q = Caudal en [m3 N/h] D = Díametro en [mm]



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Para el cálculo de la velocidad de circulación del fluido se utiliza la siguiente fórmula: 365.35 Q

V = D2 . P donde: Q = Caudal en [m3 N/ h] P = Presión de cálculo en [Kg/cm2 A] D = Díametro interior del tubo en [mm]

7.3 ESTACIONES DE REGULACION SECUNDARIA ( E.R.S.)

Cuando la presión de utilización de los artefactos difiere de la presión de distribución regulada, es necesario instalar una Estación de Regulación Secundaria. Estas plantas llamadas tambien "Sub estaciones", constan de un conjunto de aparatos y elementos instalados con el proposito de reducir y regular automáticamente la presión del fluido, aguas abajo de la E:R:M:P, debiendo ubicarse en lugares accesibles y debidamente protegidas.

En los casos de dificil acceso, se instalará en lugar conveniente una válvula de

cierre rápido y accionamiento manual que bloquee totalmente la Sub estación. En todos los casos contarán con los siguientes elementos, aptos para soportar

la presion con la que fué diseñada la E.R.M.P. (presión de venteo máxima) :

Válvula de bloqueo de cierre rápido y accionamiento manual

Reguladores-reductores de presión, con los venteos al exterior.

Manómetros, con sus correspondientes válvulas de venteo, para puesta en marcha y purga cuando por la distancia a la E:R:M:P:, sea necesario.



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Los reguladores-reductores deberán ser instalados entre elementos que permitan su remoción. No se admitiran by-pass de regulacion manual dichas sub estaciones. Los venteos de los reguladores deberán elevarse a los cuatro vientos, en una zona segura.

Cuando las instalaciones ubicadas aguas abajo de las sub estaciones no

soporten la presión maxima de alimentación a éstas, se deberan instalar válvulas de seguridad de corte ó de alivio por sobrepresión. Se podran instalar válvulas reguladoras de presión, con sistema de seguridad incorporado. Las presiones de venteo de la válvulas de seguridad se determinaran de manera similar a las de la E:R:M.P. 7.5 Comprobación, ensayos, puesta en servicio y paro de la explotación Una vez terminado el montaje de las instalaciones de gas y red interna de tuberías, y antes de su conexión con la acometida de suministro de la Empresa distribuidora, se realizan una serie de ensayos, que corrientemente son los siguientes:

Ensayo de resistencia mecánica (prueba hidráulica) del conjunto de tuberías y accesorios instalados (siempre que lo exijan las reglamentaciones oficiales o de la Empresa distribuidora).

Ensayos de estanquidad, que deben efectuarse siempre antes de la primera puesta en servicio o después de cualquier modificación de la instalación.

Control radiográfico de las soldaduras.

Ensayo de funcionamiento que tiene por objeto comprobar, con los aparatos de utilización en servicio, que la instalación, los aparatos de regulación, medida y control, así como la red de distribución interna, responden a las exigencias de explotación previstas.

7.5.1 Ensayo de resistencia mecánica Este ensayo consiste en someter al conjunto de tuberías y accesorios de canalización y valvulería a una presión hidráulica de prueba, a excepción de los aparatos reductores de presión, control y accesorios diversos garantizados por el constructor y aislados por una junta ciega. El agua utilizada debe estar exenta de sedimentos en suspensión. A continuación de la prueba, la canalización debe purgarse y secarse cuidadosamente.



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La presión de prueba será 1.5 veces la presión máxima susceptible de alcanzarse, con un margen de 10 %.

La presión se controla por un manómetro, cuya precisión permita evaluar el valor absoluto del margen citado. La presión debe mantenerse sin variación durante el tiempo necesario a la inspección de la instalación. Durante las pruebas, las canalizaciones deben ser visitables en toda su extensión. Los elementos enterrados, empotrados o colocados dentro de forros protectores deben haberse probado previamente. 7.5.2. Ensayo de estanquidad Este ensayo se realiza sobre el conjunto de canalizaciones y accesorios sometidos al mismo tipo de presión. Durante los ensayos, toda la canalización debe ser visitable. En general, el ensayo de estanquidad se efectúa con aire, con gas inerte o con el gas distribuido, y consiste en llevar el fluido a la presión de ensayo y comprobar la ausencia de fugas.

Las presiones y tiempos de ensayo serán las siguientes:

Presión de Trabajo Presión de Ensayo Tiempo 0 a 350 mm c.d.a. 0,21 kg/cm2 10 minutos 350 a 3500 mm c.d.a. 1 kg/cm2 24 horas 3500 mm a 2,3 kg/cm2 3,5 kg/cm2 24 horas superior a 2,3 kg/cm2 Presión de trabajo x 1,5 24 horas La presión deberá permanecer constante durante el tiempo de prueba, considerando las variaciones de temperatura antes y al final del ensayo.

La presión se medirá:

En baja presión, por un manómetro de columna de líquido.

En media y alta presión, por un manómetro de columna de mercurio o por un manómetro metálico cuya sensibilidad sea, como mínimo, igual al 5 % de la presión de ensayo.

Cuando se haya obtenido la estabilización de la presión en la canalización ensayada, se comprueba que la misma quede completamente aislada, por medio de válvulas o de bridas, del resto de la instalación. No se procederá nunca a la localización de fugas de gas combustible mediante el empleo de una llama, cerilla, etc. Dicha localización se efectuará



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con un pincel mojado en agua jabonosa o en producto espumante, aplicado en todas las juntas, racores, soldaduras, estopadas, etc. 7.5.3. Control radiográfico de las soldaduras El control radiográfico se efectuará en todas las uniones que se hagan con soldadura, al 100 % para las canalizaciones que puedan ser sometidas a una presión igual o superior a 32 kg/cm2. Para La canalización sometida a una presión inferior a 32 kg/cm2, las radiografías se harán al 30 % de las soldaduras. En este caso, el ensayo se efectuará por muestreo, siguiendo el criterio de selección que establezca en cada caso la Empresa distribuidora. 7.5.4. Ensayo de funcionamiento

Después de que se hayan realizado los ensayos de presión y estanquidad, deberá purgarse con gas la red, con el fin de expulsar el aire o los gases inertes de la prueba, de forma que quede en disposición de su puesta en servicio, sin peligro de mezclas explosivas. Para ello, se conectarán los extremos de la red con una manguera o tubería eventual, cuyo extremo de salida de purga estará al aire libre, y como mínimo a 3 m de cualquier edificio o toma de aire. También podrá purgarse mediante una antorcha o quemador de purga precedido de un cierre hidráulico anti-retorno de llama. Para conocer si la tubería está bien purgada se tomaran muestras con globo de toma de muestras. En el lugar en que se efectúe la purga, no se permitirá fumar, tomándose las máximas precauciones contra todo posible foco de inflamación. A continuación se efectuará un ensayo de funcionamiento de toda la instalación, con el fin de comprobar que las presiones en distintos puntos de utilización son las prefijadas, y que todos los aparatos de regulación, filtrado, contaje, etc., funcionan perfectamente. Siempre que sea posible, este ensayo se efectuará antes de la puesta en servicio definitiva de la instalación. El resultado de este ensayo figurará en el dossier técnico de la instalación. En caso de eventual puesta fuera de servicio de la instalación, las conducciones de gas deberán igualmente purgarse como anteriormente, empleando en este caso aire insuflado, tomando todas las precauciones



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necesarias para evitar cualquier inflamación. Es recomendable en cualquier caso, y especialmente cuando la tubería sea de un diámetro igual o mayor de 100 mm, efectuar las purgas mediante anhídrido carbónico, nitrógeno o con una mezcla de ambos. 7.5.5 Puesta en servicio de la instalación Realizadas todas la pruebas mencionadas, cumpliendo las correspondientes Normas y Procedimientos, para el llenado y circulación de Gas Natural en el circuito interno de distribución, deberá completarse el expediente de habilitación con todas las autorizaciones de los responsables de fabricación, instalación y montaje, supervisión y fiscalización, con toda la documentación, planos y pruebas efectuadas.



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CAPITULO 8

GAS NATURAL EN CALDEROS INDUSTRIALES 8.1 CALDEROS INDUSTRIALES 8.1.1 Definiciones Básicas En su concepción más simple, los calderos son equipos diseñados para transferir calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluído determinado. Existen una gran variedad de calderos; el más simple podría ser concebido como el

sencillo hervidor de agua casero y el primer caldero industrial representaba una

verdadera olla de vapor con aporte de calor generado por la combustión de carbón y

control de salida del vapor mediante una válvula de cierre.

El primer caldero de vapor pirotubular utilizado que se muestra en la Figura 8.1 ya operaba con petróleo, siendo de un solo paso de gases. Las necesidades de disponer gradualmente de fluídos (agua caliente, vapor, aceite térmico) con características cada vez más exigentes de presión y temperatura, determinaron que los calderos se vayan tornando cada vez más complejos, hasta llegar a los modernos sistemas de generación de vapor a presiones críticas y supercríticas para generación eléctrica. Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado, vapor sobrecalentado o calentar aceite térmico. Los calderos, exceptuando los eléctricos, tienen 6 partes básicas :



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Quemador : Aporta el aire de combustión (comburente) y el combustible, los mezcla y produce la combustión. Sus características dependen del combustible, debiendo disponer de los mecanismos de regulación que permitan formar una llama adecuada al hogar o cámara de combustión.

Cámara de Combustión : También llamado hogar y Flue, es el espacio donde se aloja la llama, es decir, se produce la combustión y se transfiere calor por radiación.

Sección de Convección : Zona donde se transfiere el calor de los gases de combustión al fluído a través de las superficies de calefacción (tubos).

Chimenea : Por donde se eliminan los gases de combustión después de transferir calor al fluído, permitiendo regular el tiro.

Ventiladores de Aire : Proporcionan el aire de combustión y lo impulsan a través del caldero. En equipos grandes, puede requerirse un ventilador exhaustor para tiro inducido.

Instrumentaciones y Controles : Permiten efectuar la operación con la mayor seguridad y alcanzar mayores niveles de eficiencia.

Figura 8.1 Primer Caldero de Vapor

9.1.2 Designación de la Capacidad de los Calderos La cantidad de vapor requerida para producir en determinadas máquinas un horse power de potencia, dió lugar a la expresión de la capacidad de los calderos en hp.



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Un hp es equivalente, en tales términos, a 34,5 libras de vapor por hora, producido desde agua a 100°C hasta vapor a la misma temperatura o aproximadamente 33.475 BTU/hr, considerando que el calor de vaporización es de 970,3 BTU/lb. Los calderos antiguos podían evaporar esta cantidad de agua con aproximadamente 10 pies2 de área de transferencia de calor, por lo cual las potencias de los calderos fueron expresadas en boiler horse power (bhp), siendo tales los pies2 de área de transferencia de calor divididos entre 10. Actualmente estos términos no resultan teóricamente correctos, ya que no existe una relación directa entre la cantidad de vapor producida y la requerida para generar un horse power y tampoco con el área de transferencia empleada; sin embargo, particularmente en el caso de los calderos pirotubulares, la expresión de la capacidad de los calderos en hp o Bhp, utilizada por los propios fabricantes y usuarios en la práctica industrial, debe tomarse en cuenta, considerando que un hp o bhp resulta equivalente a una producción de 34,5 lb/hr de vapor a 100°C, a partir de agua a la misma temperatura. Puesto que los generadores de vapor operan a condiciones distintas, el flujo de vapor debe ser corregido considerando la temperatura del agua de alimentación y la presión de vapor saturado. Tal corrección puede ser realizada utilizando la siguiente fórmula : (34,5)(bhp)(970,3) W = -------------------- = (34,5) (bhp)(C.F.) (hg - hf) Donde : W : Flujo de vapor (lb/hr) Bhp : Boiler horse power = 33.475 BTU/hr hg : Entalpía de vapor saturado a presión absoluta, BTU/lb hf : Entalpía del agua de alimentación a las condiciones de operación, BTU/lb C.F. : 970,3/(hg-hf) El nomograma de la Figura 9.2 permite un cálculo rápido de ésta fórmula : La capacidad de las grandes unidades de centrales termoeléctricas se suele expresar en megawatts (MW), en referencia a la máxima capacidad de energía eléctrica que resulta posible generar con la producción de vapor que ingresa a las turbinas. Un sistema que se orienta a uniformizar las diferentes formas de expresar la capacidad de calderos, recomienda referirse a la capacidad máxima de trans-



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ferencia de calor en el sistema, expresada en las unidades adoptadas por el Sistema Internacional (SI), es decir, Joules/hr. La práctica moderna es describir a los calderos industriales en términos de su máxima producción de vapor lb/hr, kg/hr o TM/hr para condiciones determinadas de presión y temperatura. Siendo práctica usual expresar la capacidad de calderos pirotubulares en Bhp. La equivalencia de 34,5 lb/Bhp resulta útil y válida.

Figura 8.2

Nomograma para el cálculo de potencia real de calderos pirotubulares 8.1.3 Clasificación de los calderos Los calderos se clasifican según diferentes criterios relacionados con la disposición de los fluídos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo de operación y parámetros exteriores al caldero ligados a la implementación, ubi-cación, lugar de montaje y aspectos estructurales.



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a) Por la disposición de los fluídos : - De tubos de agua (acuotubulares). - De tubos de humo (pirotubulares). b) Por la circulación de agua : - De circulación natural. - De circulación asistida. - De circulación forzada. c) Por el mecanismo de transmisión de calor : - De convección. - De radiación. - De radiación y convección. d) Por el combustible empleado : - De carbón mineral (parrilla mecánica o carbón pulverizado). - De combustibles líquidos. - De combustibles gaseosos. - De combustibles especiales (leña, bagazo, etc). - De recuperación de calor de gases (con o sin combustión de apoyo). - Mixtos. - Nucleares e) Por la presión de trabajo : - Subcríticos. De baja presión p < 20 Kg/cm2. De media presión 20 > p > 64 Kg/cm2. De alta presión p > 64 Kg/cm2. - Supercríticos. f) Por el tiro : - De tiro natural. - De tiro forzado.

- De tiro inducido.



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8.1.4 Presión y temperatura de trabajo Desde el punto de vista de la elección de la presión más conveniente para un caldero, podemos clasificar a éstos en tres grandes grupos : a) Calderos destinados a suministrar vapor saturado para procesos de calefacción. b) Generadores de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión y aprovechar el vapor de salida, después de saturarlo, para procesos de calefacción. c) Generadores de vapor recalentado para la producción de energía eléctrica en turbinas de condensación. La elección de la presión del grupo (a) es inmediata, cuando lo que se requiere es vapor para calentamiento. Como agente de calefacción se utiliza vapor satu-rado, ya que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y su coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño. Puesto que un buen intercambiador de calor calienta un fluido a una temperatura

aproximada de 10°C a 15°C por debajo de la temperatura del vapor calefactor,

partiendo de la temperatura necesaria en el fluido a calentar se deducirá la

temperatura requerida en el vapor a la salida del caldero, tomando en cuenta las

pérdidas de calor en el transporte. Por medio de las tablas Presión-Temperatura, que

se presentan al final de este artículo, se determina la presión a la cual se tendrá que

producir el vapor saturado, para alcanzar la temperatura adecuada.

El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta temperaturas de unos 200°C aproximadamente, lo que supone presiones del orden de unas 18 atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele ser prohibitiva por ser necesarios tuberías y aparatos muy robustos; en estos casos se utilizan fluidos portacalóricos y aceites térmicos.



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La Figura 8.3 muestra los límites de utilización de algunos tipos de calderos : Figura 8.3 Límites de utilización de Calderos Industriales 9.1.5 Criterios prácticos para selección de calderos La gran variedad de tipos de calderos existentes y las múltiples posibilidades de conformación de los equipos que integran un sistema de generación de vapor podrían hacer aparecer como algo muy complejo la selección de un determinado caldero para atender un requerimiento industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de fluídos térmicos. En el caso de calderos pirotubulares, la selección de equipos de uno, dos, tres o cuatro pasos obedece a criterios técnicos y económicos. Mientras mayor sea el número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los equipos serán más caros. En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrán ser tipo paquete, pero a partir de cierto límite, variable para cada caso, resultará conveniente



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montarlos en planta. La decisión respecto a la instalación de economizadores y recuperadores de calor obedece igualmente a criterios de factibilidad técnica y conveniencia económica, en función de la capacidad de producción de vapor de los calderos y sus presiones de operación. Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la práctica industrial se llama economizador al sistema que permite aprovechar el calor de los gases de combustión para precalentamiento del agua de alimentación y recuperadores a los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustión. En la Figura 8.4 se establece algunos rangos que podrían servir como criterios de orientación, respecto a los tipos de calderos y la conveniencia de utilización de economiza-dores y recuperadores, en función de la capacidad de producción de vapor y la presión de operación.

Figura 8.4

Criterios prácticos para Selección e Instalación de Economizadores y Recuperadores de Calor en Calderos Industriales



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8.2 USO DEL GAS NATURAL EN CALDEROS DE VAPOR

La elección del combustible para instalación y operación de calderos obedece a factores de carácter técnico y económico, pero las ventajas del gas natural respecto a los combustibles sólidos y líquidos, resultan determinantes:

Ausencia de almacenamiento del combustible en el exterior o interior de

la sala de calderas. Las operaciones de precombustión, tan complicadas en el caso de petróleo y carbón, se limitan a la estación de recepción y el circuito de distribución interna por tuberías, en el caso del gas natural.

No hay formación de cenizas de ninguna forma: sólidas, liquidas, fundidas

(escorias) o volantes. Todos los dispositivos de recuperación (tolvas, ceniceros, registros, etc.) y de evacuación pueden suprimirse, especialmente los separadores de polvo, tan importantes y tan numerosos en las grandes cen-trales modernas de carbón pulverizado.

No hay deposición ni formación de depósitos adherentes en el hogar y/o

incrustaciones en las superficies de intercambio de calor de las zonas convectivas del caldero, mejorando la transmisión de calor de las partes metálicas y no aumentando la resistencia del circuito de gases.

La facilidad de dosificación y medición del gas natural permite regular y

mantener en forma sencilla y efectiva la relación aire – combustible, en niveles muy convenientes para asegurar combustión completa y alto rendimiento térmico.

Siendo la proporción de azufre prácticamente nula, no tienen que existir

corrosiones en la parte final de la caldera, especialmente en los economizadores o recuperadores de aire, los ventiladores de tiro forzado y los conductos de unión.

La temperatura de los humos puede disminuirse sin temor, permitiendo

la recuperación de calor para precalentamiento del agua (economizadores) y del aire (recuperadores) en calderos muy grandes, compensando la disminución de la calidad del aire como comburente.

La combustión del gas no poluciona ni contamina la atmósfera, disminuyendo

las emisiones de CO2 respecto a otros combustibles con relación carbono/hidrogeno más elevada.



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En la práctica, tales ventajas del gas natural respecto a otros combustibles se manifiestan en la siguiente forma, en relación con los factores que determinan los proyectos de instalación y optimización de la generación de vapor en plantas industriales: a) La construcción

Las dimensiones de las cámaras de combustión de los calderos pueden reducirse con respecto a las dimensiones requeridas para petróleo y carbón. La perfecta mezcla de aire/gas y la rápida combustión de éste, permite aumentar la carga térmica específica. La infraestructura de recolección de las cenizas y escorias puede suprimirse. Desde luego, que-da suprimida la parrilla y todos los elementos de manutención mecánica. Las cámaras de combustión, empleando gas natural como combustible, permitirán cargas térmicas específicas comprendidas entre 0,5 x 106 y 1,5 x 106 kcal m3/h que, referidas a la sección transversal de la cámara, deben permanecer dentro de los límites de 450 000 a 900 000 kcal/m2/h.

b) El funcionamiento

El rendimiento térmico puede mejorarse como mínimo, de tres a cinco puntos (según el combustible que sustituía puede llegar a 8%) gracias a la posibilidad de realizar y mantener la proporción aire-gas a diferentes marchas, con un exceso mínimo de aire del orden del 10 al 20 %, cuando con fuel-oil no puede bajarse del 20 al 30 % y con el carbón del 30 al 50%. Igualmente existe posibilidad de reducir la temperatura de los humos, sin riesgo de corrosión en las partes finales de la instalación, debido a la ausencia de azufre en el gas y de SO2 en los productos de combustión. La constancia en la composición de los humos para distintas cargas del caldero (demandas de vapor), permite que los rendimientos industriales de explotación alcancen valores próximos a los rendimientos teóricos o de prueba.

c) La regulación

El empleo del gas natural facilita la utilización de dispositivos de regulación y de mando automático, manteniendo constante la presión de vapor y la mezcla aire-gas del quemador, siguiendo las variaciones de las demandas de vapor.

d) El mantenimiento

Los quemadores de gas no necesitan prácticamente ningún mantenimiento, permaneciendo siempre libre de goteos y de polvo los frentes del caldero donde van colocados los quemadores. Las superficies de transmisión de calor de los calderos permanecen siempre limpias.

e) Las inversiones

El gas natural permite la supresión de los parques de almacenamiento del carbón o de los tanques de almacenamiento de los combustibles líquidos,



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así como de todos los dispositivos de alimentación y trasiego de combustible y evacuación de cenizas. Tampoco son necesarios dispositivos para suprimir o reducir los riesgos de contaminación atmosférica. Con el gas natural se suprime el riesgo de eventuales indemnizaciones por daños a los vecinos o a la agricultura.

La producción de vapor utilizando gas como combustible, especialmente en las industrias que necesitan el gas natural para otros menesteres, es cada día mayor. En muchos casos regulariza el consumo de gas cuando en otras dependencias la marcha de los aparatos es intermitente y el aumento de consumo permite obtener precios más bajos en los contratos de suministro.

La transformación de los calderos no presenta, en general, dificultades, reduciéndose al montaje del equipo de quemadores y órganos de seguridad y regulación, sin que la estructura del caldero, en sí misma, sufra modificación alguna.

8.3 Equipos para calderos industriales El material necesario para la utilización del gas natural en un generador de vapor comprende: • Quemadores, • Dispositivos de regulación, • Sistemas de seguridad. Al enfocar la aplicación de gas natural en operaciones industriales se analizarán las particularidades de estos materiales para cada caso, pero podemos tomar en cuenta algunos conceptos generales 8.3.1 Quemadores a gas natural Los calderos de hogar interior o pirotubulares y los acuotubulares modernos tienen la cámara de combustión recubierta con paredes o tubos de agua. Son, por consiguiente, hogares fríos cuyas paredes están a una temperatura sensiblemente inferior a la de inflamabilidad del gas.

Esta característica de construcción tiene una consecuencia importante en lo que se refiere a las características de construcción de los quemadores. Estos deben cumplir, especialmente, las exigencias siguientes:

a) Asegurar una mezcla homogénea y suficientemente rápida de aire de manera que la combustión se mantenga perfecta y terminada en la cámara de combustión antes de todo contacto con las paredes, cuya baja temperatura detendría la combustión, con riesgo de obtener inquemados (disminución de rendimiento) y posibilidad de formación de mezclas combustibles en el circuito de humos;



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b) Asegurar, a cualquier régimen, que se mantenga constante la

proporción de mezcla aire-gas próxima a la relación estequiométrica, en todo caso, dentro de los límites de inflamabilidad con un amplio margen de seguridad;

c) Asegurar una velocidad de salida de la llama del quemador inferior a la

velocidad de propagación de la llama, para evitar el desprendimiento de ésta de la boca del quemador, especialmente durante el período de encendido.

d) Permitir ajustar el volumen y la longitud de la llama en función de las

dimensiones de la cámara de combustión, a fin de asegurar que aquella llene completamente la cámara, evitando siempre los puntos de impacto con las paredes. En grandes calderos con cámaras de dimensiones importantes, es preferible colocar varios quemadores en lugar de uno solo de mayor caudal;

e) Permitir la obtención de una llama luminosa que favorezca el

intercambio de calor, particularmente en las calderas a radiación. El número de quemadores depende, esencialmente, de la potencia del caldero. En general, para calderos de producción inferior a 20 t/h se coloca un solo quemador; para calderas de producción de 20 a 50 t/h se colocan dos quemadores; para producciones superiores, se colocan cuatro o más quemadores. La implementación de quemadores con el diseño necesario para formar la denominada llama cónica hueca, ha permitido diseños más compactos y eficientes. 8.3.2 Dispositivos de regulación Aunque la construcción de algunos órganos de control, de regulación y de marcha automática tiene alguna particularidad, en la utilización de gas los principios generales son los mismos que para otros combustibles (especialmente para los combustibles líquidos) y su aplicación no entraña ningún problema particular : por el contrario, la limpieza de gas y de los productos de la combustión son factores favorables para el buen funcionamiento de dichos dispositivos.

La elección del tipo y programa de control y de regulación será, en cada caso, objeto de estudio. En el mercado existen todos los tipos de materiales que permiten revolver el problema, desde el más sencillo al más complicado. 8.3.3 Dispositivos de Seguridad

La seguridad merece ser estudiada cuidadosamente, por una parte en razón de su gran importancia; por otra, en razón de las exigencias particulares de empleo de un combustible gaseoso. Teóricamente, es más fácil obtener una mezcla perfecta y rápida entre el gas y el aire comburente —que, por otra parte, puede aproximarse más o menos a las condiciones de una mezcla explo-siva— pero también es cierto que el gas se presta más fácilmente (debido a su



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facilidad de manipulación) a la adaptación de dispositivos que permiten, precisamente, prevenir la realización de tales condiciones.

El conjunto de órganos de seguridad debe satisfacer a una triple exigencia:

• Impedir toda introducción de gas en un recinto de combustión sin que hayan

sido accionados previamente los dispositivos de encendido y de que se haya controlado el funcionamiento correcto de éstos;

• Impedir toda introducción de una mezcla gas y aire en proporciones tales

que la combustión de esa mezcla no pueda hacerse correctamente; • Asegurar la interrupción rápida de la alimentación de gas, en caso de

extinción imprevista de uno u otro quemador. Para respetar estas tres condiciones, es necesario que, en todo momento, se pueda accionar y controlar: • El caudal de gas, • La presión del gas, • El caudal de aire, • La relación gas-aire, • El tiro. Estos elementos se regulan, en general, para el conjunto del equipo: seria deseable, sin embargo que, a excepción del último, pudieran regularse para cada uno de los quemadores. Las operaciones de encendido, tanto manuales, semiautomáticas o automáticas, consisten en: • Asegurar un barrido eficaz con aire de la cámara de combustión y de los

conductos posteriores durante un tiempo suficiente, a precisar en las consignas, a fin de que no haya vestigios de gas en los mismos (cierre defectuoso de la válvula de gas).

• Encender el piloto o quemador de encendido y comprobar que la llama se

mantiene estable. • Regular la entrada de aire y después abrir el gas. • Asegurarse del buen funcionamiento del quemador. • En instalaciones equipadas con varios quemadores, efectuar su encendido

sucesivamente. La comprobación de encendido y mantenimiento de la llama en cada quemador se asegura mediante un dispositivo de «control de llama», que no debe intervenir más que a título de seguridad complementaria en caso de incidente.



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Se utilizan principalmente dos soluciones: • La ionización de la llama que asegura la detección por medio de electrodos

sometidos a una diferencia de tensión que puede ser continua o alterna, actuando entonces por rectificación de la tensión alterna. Los electrodos deben colocarse en la llama piloto, si existe, o en su defecto, en la llama principal, y su posición debe elegirse cuidadosamente. La elección de electrodos de masa, de longitud apropiada, evitará la colocación de dispositivos de seguridad por simple desprendimiento de la llama de la boca del quemador, cuya intervención no tendrá lugar más que en caso de un desprendimiento exagerado;

• La medición de las radiaciones emitidas por la llama, debido a una célula

fotoeléctrica sensible a la radiación de los productos de la combustión. La posición y la orientación de dicha célula son importantes y deben escogerse juiciosamente. Ofrece la ventaja de poder montarse en el exterior de la cámara de combustión sin necesidad de tener ninguna parte en contacto con la llama.

En general, el riesgo consiste en la extinción eventual de la llama del quemador, seguido del derrame de la mezcla aire-gas sin encender en la cámara de combustión; ésta se hallaría entonces llena de una mezcla en proporciones explosivas, cuyo encendido podría provocar una deflagración.

La extinción inopinada de la llama puede tener dos causas:

• Variación o disminución intempestiva de la presión; • Desarreglo de la combustión, haciendo que la mezcla aire-gas en el

quemador quede fuera de los límites de inflamabilidad (paro de corriente en el ventilador de aire o funcionamiento defectuoso de éste).

Los dispositivos de seguridad deben poder responder a estas dos situaciones y su acción debe traducirse en un corte total y rápido de la llegada de gas a los quemadores. La vuelta a la situación normal no puede hacerse más que por intervención manual.

La instalación más sencilla comprende pues:

• Un dispositivo de control de la presión provocando el corte de la llegada de

gas a los quemadores, para una variación del orden del 20 %. • Un dispositivo de control de la llama, accionando el corte del gas a los

quemadores en caso de extinción. El rearme del órgano de corte de gas no podría efectuarse más que manualmente, de tal forma que no pueda volverse a encender hasta que la causa del cierre del gas se haya detectado y suprimido, y después de efectuar, en el orden que deban hacerse, todas las maniobras del encendido.



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El órgano de corte deberá también intervenir en caso de falta de corriente, que provocará el paro del ventilador de aire comburente y del ventilador de tiro.

En estas condiciones, y realizando una comprobación periódica y frecuente del buen funcionamiento de los diferentes órganos de seguridad, cuya elección es tanto o más importante que la del quemador, la utilización de gas natural en las calderas ofrecerá todas las garantías necesarias. La Figura 8.5 representa un esquema completo de un equipo de seguridad para un caldero empleando gas natural.

Figura 8.5 Esquema Completo de Equipo de Seguridad en Caldero a Gas



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8.4 CONVERSIÓN DE CALDEROS PIROTUBULARES AL GAS NATURAL

Los calderos pirotubulares son los equipos mas utilizados en la industria y

constituyen un objetivo de sustitución total, cuando se incorpora el gas natural, a

precios accesibles, como alternativa de suministro energético.

La disponibilidad de gas natural representa para los calderos pirotubulares la

oportunidad de una conversión que constituya un proyecto de alta rentabilidad si se

concibe, plantea y ejecuta en la forma técnicamente correcta.

El gas natural simplifica la operación de calderos pirotubulares debiendo quitar equipos en vez de ponerlos y disminuir costos operativos en lugar de incrementarlos. El menor precio relativo del gas natural, justificado por su imposibilidad de almacenamiento y no por ser un combustible de menor calidad, constituye un argumento para justificar la inversión en nuevos quemadores y sistemas de control complicados y costosos, pero ello resulta difícilmente compatible con la facilidad de manejo y combustión del gas natural.

Para analizar objetivamente la forma en que se plantean tradicionalmente los

proyectos de sustitución en calderos pirotubulares podemos evaluar los resultados de

la sustitución de petróleo diesel (ACPM) o residual (fuel oil o combustóleo) por gas

natural en las experiencias que se han vivido en los últimos años en la mayoría de

países latinoamericanos, aplicando tecnologías que consideramos equivocadas, que

favorecen los intereses de los proveedores, pero afectan la rentabilidad de los

proyectos y la economía de los usuarios.

En realidad, los proyectos han consistido básicamente en sustituir los quemadores

que operaban con combustibles líquidos por quemadores duales y sus respectivos

sistemas de control operativo, sin mayores modificaciones en el resto de los calderos,

Como puede apreciarse en la Figura 8.6, el quemador dual resulta casi del mismo

tamaño que el propio caldero.



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Figura 8.5

Quemador Dual

De esta forma se pierde un 5% de capacidad de producción y disminuye unos 2 o 3

puntos la eficiencia, debido a que aumenta el volumen de los gases y se reduce la

emisividad de llama, disminuyendo en algo la transferencia de calor por radiación.

Al haber existido normalmente un diferencial de precio local a favor del gas natural

en razón de las dificultades para su transporte a grandes distancias, los usuarios se

han dado por satisfechos con el ahorro por diferencial de precios y la comodidad de

su operación y mantenimiento, sin aprovechar realmente todas sus posibilidades y

ventajas.

En otros casos, los beneficios económicos no han sido los esperados, no resultando los

ahorros generados suficientes para pagar las fuertes inversiones en instalaciones y

quemadores de alto costo instalados innecesariamente.

Las opciones que ofrecen los fabricantes de quemadores para efectuar la conversión

de calderos diseñados para combustibles líquidos incorporando un “kit” diseñado

para este propósito resulta siempre técnicamente complicada y económicamente

inconveniente.



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Figura 8.6

Kit de conversión para calderos pirotubulares Buen negocio para los proveedores, problemas para el caldero

El modelo de conversión que planteamos es totalmente diferente:

En primer lugar, consideramos que la condición dual no tiene que mantenerse

latente en el quemador, porque el suministro de gas resulta suficientemente

seguro. Tomando en cuenta que el 70% del costo de un quemador para gas

natural lo representan los sistemas de control, casi siempre resultará

conveniente y rentable instalar un nuevo quemador (Figura 8.7)

Figura 8.7

Quemador 100 % Gas Natural

El tren de válvulas que recibe el gas del circuito interno de distribución, debe

acondicionar las condiciones de suministro requeridas por el quemador.



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Cumpliendo las Normas correspondientes en cuanto a ubicación, estará

conformado por los siguientes elementos. Válvula de cierre, filtro,

manómetros, regulador de presión y medidor de flujo (recomendado) (Figura

8.8).

Figura 8.8

Tren de Válvulas V

En los calderos pirotubulares el ventilador proporciona el tiro forzado que

impulsa los gases hasta la base de la chimenea; al eliminar la caída de presión

del difusor, el impulso permitirá mover más gases y quemar más combustible,

aumentando la potencia térmica en el hogar.

La mayor velocidad y limpieza de los gases que se generan con gas natural

permiten ubicar turbuladores en los 2 primeros pasos de tubos, aumentando

la turbulencia y transferencia de calor por convección en el interior de los

tubos. El diseño adecuado de los turbuladores permitirá colocarlos y

retirarlos con facilidad cuando resulte necesario.

Figura 8.9

Turbuladores de convección

El sistema de control de funcionamiento del quemador también podría

cambiarse si es obsoleto y/o se encuentra en mal estado, pero en la práctica

hemos quedado convencidos que casi siempre resulta mejor incorporar un

quemador nuevo, compacto, moderno y eficiente previsto para control

operativo totalmente automatizado. Tomando en cuenta los ahorros previstos,



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también debe considerarse la posibilidad de adquirir un caldero nuevo, como

proyecto de inversión.

Tomando en cuenta la limpieza de los gases y su bajo punto de rocío, debe

instalarse siempre un economizador para incrementar la temperatura del

agua de alimentación. Un incremento mayor a 20°C en la temperatura del

agua de alimentación representa un ahorro promedio de US$ 5000/año,

resultando justificada la inversión en una bomba de mayor capacidad, si

resultase necesario.

La facilidad de combustión del gas natural y la conveniencia de favorecer la

emisividad de llama, nos orientan a recomendar la regulación del nivel de

exceso de aire en un 5% (1% de O2 en los gases). En esta forma quedará

totalmente compensado el mayor requerimiento de aire de combustión del gas

natural respecto a otros combustible líquidos que deben trabajar con un

mínimo de 20% de exceso de aire.

Los calderos pirotubulares normalmente disponen de tiro forzado que impulsa los gases circulantes hasta la base de la chimenea, cambiándose con el tiro natural de la misma para asegurar la correcta evacuación de gases a la atmósfera. La limpieza de los gases del gas natural y la notable disminución del punto de rocío ácido permite considerar la ubicación de un sistema de recuperación de calor, aprovechando el calor residual en los gases para precalentar el agua del caldero.

Tomando en cuenta que por cada 20°C de disminución de temperatura en los gases se incrementa un 1% la eficiencia del caldero, se podría conseguir un 3-4% de mejora en la eficiencia mediante la instalación de un economizador de características adecuadas de diseño. Las llamadas ―trampas de hollín‖ que instalan en los calderos para atrapar el hollín, en lugar de optimizar la combustión y eliminarlos, podrán ser utilizados para instalar los economizadores (Figura 8.10).

Figura 8.10

Economizadores en lugar de trampas de hollín



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8.5 CONVERSIÓN DE CALDEROS ACUOTUBULARES AL USO DEL GAS NATURAL

8.5.1 Criterios generales de aplicación Las ventajas y posibilidades que representa el uso del gas natural en calderos pirotubulares resultan similares a calderos acuotubulares de pequeña capacidad, pero disminuirán a medida que aumente la capacidad de producción y niveles de presión y temperatura del vapor producido. La facilidad de combustión y limpieza de gases de combustión del gas natural ofrece similares ventajas por dentro y fuera de los tubos. Así como permiten instalar turbuladores y economizadores en calderos pirotubulares, también representa mejores posibilidades de mayor densidad de tubos y menores distancias entre tubos en los pasos de los gases a través de los sobrecalentadores, tubos de bajada y calentamiento. La gran diferencia en este campo lo constituye la proporción de calor que se transfiere por radiación como se puede apreciar en el gráfico de la Figura 8.11.

En calderos pirotubulares se transfiere el calor principalmente por convección por lo cual el uso del gas natural siempre resulta ventajoso. En calderos acuotubulares a partir de una capacidad de producción de 50 t/h de vapor, la proporción de calor transferida por radiación resulta cada vez más importante llegando a alcanzar hasta un 90% en los grandes calderos utilizados en centrales termoeléctricas. La mayor emisividad de la llama del gas natural resulta un factor limitante en la medida que aumenta la capacidad de los calderos hasta resultar inconveniente el uso del gas natural en forma exclusiva. En tales casos la utilización combinada de gas natural, combustibles sólidos y líquidos difíciles de quemar y bajo costo, representa una posibilidad más conveniente que el uso de petróleo y/o carbón.



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Figura 8.11

Transferencia de Calor por Radiación en calderos acuotubulares

Para utilizar gas natural en calderos acuotubulares deberá tenerse en cuenta las siguientes consideraciones :

El diseño del quemador deberá orientarse a incrementar la emisividad de la llama.

Los niveles de exceso de aire en el manejo de la combustión deben conducirse en valores mínimos (< 10%) compensando el mayor requerimiento estequiométrico de aire respecto a otros combustibles más difíciles de quemar.

En el circuito de gases se debe implementar todos los elementos y factores de diseño que favorezcan la transferencia de calor por convección.

Los niveles de ensuciamiento de tubos utilizando gas natural deben ser nulos.

Los bajos contenidos de azufre permiten disminuir la temperatura de los gases de salida hasta valores considerablemente menores a los que resultan factores limitantes de la eficiencia cuando se utilizan petróleo y carbón. 8.5.2 Adaptación de Calderos Acuotubulares en función de su capacidad



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Tomando como referencia los criterios de selección del tipo de calderos en función de su capacidad podemos establecer que por encima de 1.200 BHP, en términos utilizados para las pirotubulares, resulta conveniente instalar un Caldero Acuotubular que producirá unas 20.000 t/h de vapor, variables con su presión y temperatura. En este nivel de capacidad todavía predomina la transferencia de calor por convección y resultará posible operar con un 100 % de gas natural y los parámetros recomendados. Los criterios considerados para conversión de calderos pirotubulares resultarán aplicables en calderas acuotubulares pequeñas, pero en la medida que se incremente la capacidad del caldero, para seguir operando con gas natural y mantener niveles de producción y eficiencia satisfactorios, tendrá que considerarse algunas modificaciones en el diseño:

Incrementar la capacidad del Economizador para recuperar la menor cantidad de calor transferido por radiación en el hogar.

Instalar un atemperador en la salida del sobrecalentador de vapor que

inyecte agua atomizada para controlar la temperatura del vapor producido.

Disminuir a 5 % el nivel de exceso de aire para la combustión, para

elevar la temperatura y compensar la menor emisividad de llama. La posibilidad de utilizar quemadores duales podría considerarse, pero sierre que se pueda, gasta una capacidad promedio de 50 t/h de producción de vapor, siempre resultará mejor permanecer con la limpieza y facilidad operativa que proporciona el gas natura. El quemador de gas para potencias crecientes debe tener un diseño adecuado para que la forma de llama se adapte a la geometría del hogar, procurando la mayor emisividad posible (Figura 8.10).

Figura 8.10

Quemador Gas

Caldero Acuotubular



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Para el caso de calderos que se utilizan para calentamiento de aceite térmico, los cuales pueden ser considerando en este campo debido a que el aceite fluye por el interior de los tubos, siempre resultará conveniente mantenerlos con 100% de gas natural, debido a que los diseños consideran varios pasos de los gases en el interior del cuerpo del caldero, incrementándose la proporción de calor transferido por convección (Figura 8.11).

Figura 8.11

Calentadores de aceite térmico tipo acuotubular



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Se presentan en diseños horizontales y verticales, ubicando una llama relativamente corta en el hogar, transfiriendo calor por radiación desde la misma a la pared de tubos que forma el hogar (30-40%) y el resto a través de otros 3 pasos, donde se transfiere calor principalmente por convección (69-70%). Estableciendo un buen controlo sobre la atomización de combustibles líquidos y el tiro, se consiguen muy buenas eficiencias (83-84 %). Para convertirlos a gas natural debe sustituirse totalmente el quemador, para utilizar como combustible 100 % de gas natural; controlando adecuadamente un bajo exceso de aore y la circulación de gases, resulta posible mantener las mismas condiciones de producción y eficiencia, pero con una limpieza perfecta de tubos y eliminación total de emisiones de inquemados. 8.5.3 ADAPTACIÓN DE CALDEROS DE PETRÓLEO PARA GAS NATURAL Los grandes calderos acuotubulares, mayoritariamente dedicados a la producción de vapor sobrecalentado para generación eléctrica, en centrales termoeléctricas o sistemas de Cogeneración, transfieren calor en una mayor proporción por radiación, como puede apreciarse en la vista de la Figura 8.12 . Cuando estos calderos operan con petróleo, su adaptación para gas natural resulta relativamente simple, pero necesariamente debe mantener un 20 % del petróleo, para conseguir una llama suficientemente emisiva, para mantener (y mejorar) la transferencia de calor por radiación, al permitir la presencia del gas natural que se disminuya el exceso de aire hasta un 10 %, manteniendo combustión completa y limpieza total de las zonas convectivas, representadas principalmente por economizadores y sobrecalentadotes.

Figura 8.12

Calderas de Radiación para quemar petróleo



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Todos los equipos auxiliares, ventiladores y órganos de regulación pueden conservarse. Concretamente, los caudales y las potencias absorbidas por los ventiladores de aire comburente y de tiro son ligeramente inferiores (dis-minución del exceso de aire) a cuando funcionaban con fuel-oil o carbón como combustible, ya que, teóricamente, la cantidad de aire necesaria para la combustión depende únicamente del calor desarrollado en el hogar (potencia de la caldera) y no del tipo de combustible; Los quemadores de fuel-oil pueden conservarse; siempre es posible disponer los quemadores de gas alrededor de los inyectores de fuel. Pueden también sustituirse por quemadores mixtos gas-fuel. Es interesante conservar los quemadores de fuel, así como todos los dispositivos de alimentación cuando ya están instalados, puesto que permiten asegurar, en determinados casos, las variaciones de la carga a fin de mejorar la modulación en el consumo de gas; Los dispositivos de control de llama por célula fotoeléctrica pueden eventualmente adaptarse a las características particulares de la llama de gas natural. El aporte del 80 % del calor quemando has natural, permite considerar necesarias y/o convenientes las siguientes acciones:

Modificación del las toberas de atomización de los quemadores para los volúmenes correspondientes a la condición de operación mixta.

En caso de cambio de quemador, diseñar o seleccionar la condición de operación Gas- Oil 4:1.

Formular como proyecto de inversión la sustitución del petroleo por otro combustible alterno de menor costo, tales como aceites lubricantes usados (de la propia planta), crudo de petróleo, aceites residuales industriales etc.

Centrales

Ecológicas con Gas Natural



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La disponibilidad de gas natural y su adaptación para operación mixta en este tipo de equipos debe representar una importante oportunidad de optimizacióm técnica , económica

y ecológica en su operación.

8.5.4 ADAPTACIÓN DE CALDERAS DE CARBÓN AL GAS NATURAL

La adaptación a gas natural de las calderas a carbón presenta problemas más complejos y conduce a inversiones relativamente más importantes. Su adaptación para operación con gas natural, concebida por proveedores de maquinaria y equipo resultará inmensamente complicada y costosa, con grandes inversiones en acero, instrumentación y compleja tecnología; y pur supuesto, grandes beneficios económicos para ellos y grandes problemas técnicos para los usuarios. Como expertos en simplificación de la tecnología, basados en fundamentos termodinámicos, criterio, lógica y experiencia, hemos diseñado dos sistemas que permiten la adaptación de los dos tipos de calderos más frecuentes, con moderada inversión y significativas mejoras respecto a la concepción funcional de diseño, operando con carbón.

Calderas de Carbón Pulverizado



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La adaptación de este tipo de calderas al gas natural resulta similar, en términos generales, al propuesto para las que operan con petróleo, porque el carbón pulverizado se inyecta en forma neumática, quemando en suspensión, en la misma forma que las partículas de coque producto del craqueo del petróleo. La incorporación del gas natural en la forma adecuada, sin impulso y en forma transversal, para que se ponga a disposición del flujo dominante que es el aire, permitirá completar rápidamente su combustión, incorporando en la misma las partículas de carbón pulverizado. Para concebir esta aplicación, debe recordarse los postulados de la Teoría Inorgánica de la Combustión (Cap. 1). También en forma similar al petróleo, la modificación del petróleo debe considerar la inyección de un 20 % de carbón (unidades energéticas); debe tomarse en cuenta que también en estas circunstancias el factor de mayor importancia en el desarrollo de la combustión es la mecánica de fluidos, y por ello, el protagonista debe ser el aire, como flujo dominante y aportante de la energía de mezcla y los impulsos que determinan la forma de llama. Considerando la presencia del gas natural en una proporción mayor, resultará totalmente justificado el utilizar como componente sólido, un combustible de menor precio, tal como pet coke, cisco, materiales combustibles residuales pulverizados, etc. Siempre interesados en investigación aplicada, resultará interesante efectuar pruebas con 100% de gas natural y mezclas diferentes.

Adaptación de Calderos de Carbón Sobre Parrilla al Gas Natural Figura 8.13

Caldero de parrilla viaje Caldero tipo parrilla viajera



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En los calderos de parrilla viajera, el carbón se alimenta en trozos, formando un lecho a través del cual transcurre el aire de combustión. Manteniéndose la temperatura siempre por encima del punto de ignición del combustible: Se dispone de quemadores laterales de petróleo que permiten el calentamiento inicial y la regulación de las condiciones de temperatura y circulación de calor. Los gases transcurren por el hogar de paredes de tubos de agua y la zona convectiva, donde se ubican los sobrecalentadotes. La combustión sobre la parrilla concluye al llegar al extremo, cayendo los residuos de combustión al cenicero, desde donde se eliminan por distintos medios de extracción y transporte. Al incorporar el gas natural, para adaptar su operación para operación mixta, los quemadores laterales deberán operar con gas, incrementando su proporción actual considerablemente. El concepto de diseño se orienta a convertir la parrilla,parcialmente en un lecho fluidizado, para lograr que una parte del carbón sea arrastrado por el aire hacia una zona superior que se mantenga a temperatura elevada, para producir su combustión en suspensión- Para implementar este sistema se deben efectuar las siguientes acciones:

Incrementar la potencia de los ventiladores, para disponer de mayor presión debajo de la parrilla.

Modificar la granulometría del carbón, para incrementar la presencia de material fino.

Implementar a la parrilla, si no la tiene, la alimentación de partículas de menor tamaño (1 mm) que se alimentaría solamente cuando se estabilice térmicamente el sistema, con el sistema de lanzadera.

El gas natural se inyectará lateralmente en la proporción máxima posible, disminuyendo simultáneamente la alimentación de carbón , disinuyendo la altura del lecho y disminuyendo la velocidad de la parrilla viajera.

Las mejores condiciones de combustión del gas, transmitidas para favorecer las del carbón, deben permitir incrementar la producción y la eficiencia del caldero.



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8.5.5 ADAPTACIÓN DE UN CALDERO BAGACERO PARA EL GAS NATURAL

La utilización del bagazo de caña como combustible ha resultado una alternativa energética en condiciones de insuficiencia de otros combustibles tradicionales, permitiendo alcanzar la autosuficiencia energética en plantas azucareras pero cuando se dispone de combustibles más eficientes a precios adecuados, existen otras opciones de empleo que resultan claramente más atractivas, tales como la producción de papel, prensados y recientemente el etanol celulósico. Al existir la disponibilidad de gas natural con todas sus ventajas y a precios accesibles, considerando todo el espectro de materiales que comprende el bagazo (bagacillo, licor negro, cenizas, polvillo, etc.), planteamos un modelo de adaptación de calderos diseñados para quemar bagazo (bagaceros) al uso productivo y eficiente del gas natural .

El bagazo es un material fibroso, heterogéneo en cuanto a su composición granulométrica y estructural, que presenta relativamente baja densidad y un alto contenido de humedad, en las condiciones en que se obtiene del proceso de molienda de la caña. El contenido en cenizas del bagazo natural puede considerarse moderado, ubicándose entre 2 y 5 % (b.s.). Sin embargo, como consecuencia directa de la mecanización de la cosecha, y sobre todo en época de lluvia, este parámetro puede elevarse considerablemente, llegándose a reportar valores extremos de 12 a 15 %. Características principales:



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Tabla 1. Análisis inmediato (% base seca).

Característica %

Carbono fijo 41,9

Volátiles 46,36

Cenizas (815º) 11,74

Tabla 2. Análisis elemental (% base seca).

Característica %

Carbono 42,54

Hidrógeno 5,17

Nitrógeno 0,63

Azufre 0,30

Oxígeno 39,62

Tabla 3. Poderes caloríficos.

Especificación (kcal/kg) (kJ/kg)

Superior (b.s.) 3 986 16 661,5

Inferior (b.s.) 3 715 15 528,7

Los calderos utilizados para quemar bagazo son de tipo parrilla (Figura 8.14)

parecidos a los de carbón en cuanto a su concepción funcional, pero con un diseño más

adecuado de parrilla para las características del bagazo y sus componentes



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Figura 8.14

Caldero

Bagacero

El análisis de las Tablas anteriores nos explica las grandes dificultades técnicas que confrontan los calderos bagaceros para estabilizar su operación y con su mantenimiento:

La humedad representa un gran inconveniente para la alimentación y acomodo del bagazo en la parrilla.

Al eliminarse la humedad, consumiendo 540 Kcal/kg y generando vapor que incrementa los gases circulantes, aparecen componentes finos y livianos, el bagacillo, que se volatiliza formando incrustaciones sobre tubos y/o contaminan el ambiente con los gases de salida.

Las cenizas, principalmente conformadas por sílice, provocan abrasión y desgaste sobre tubos y partes metálicas.

Los bajos poderes caloríficos y humedad, establecen condiciones téricas muy limitadas, limitando la producción y calidad de vapor generado.

Para compensar estas deficiencias resulta indispensable instalar quemadores de un combustible secundario y eventualmente , alimentar otros materiales producidos en los procesos cañeros, tales como carbón, polvillo, licor negro, etc, etc.



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La disponibilidad de gas natural para operación del caldero bagacero representa un cambio fundamental, por las siguientes razones:

Facilita el pre-secado del bagazo y la prehomogenización del combustible sólido.

Establece mejores condiciones de aporte térmico a la zona del hogar, permitiendo completar la combustión del material en suspensión de gases.

Económicamente, permite disminuir los costos del vapor producido y los Kw generados.

Disminuye las emisiones de inquemados sólidos y gaseosos, facilitaudo la separación de las cenizas.

El modelo que consideramos conveniente recomendar para adaptación de estos calderos para aprovechar las ventajas del gas natural es el siguiente:

Considerando que el bagazo (fibra larga) resulta mejor utilizarlo como insumo para producción de papel, prensados y etanol celulósico. Actualmente en Colombia se logra producir 90 galones de etanol con 1 TM de bagazo, lo que representa un valor agregado 10 veces mayor que su empleo como combustible.

La operación debe modificarse a la concepción que represente quemar gas natural como combustible principal, considerando la combustión secundaria de los residuos no utilizables como insumos industriales.

Estos residuos, el polvillo y el licor negro como aglutinante, deben ser conformados en pellets, para facilitar su combustión sobre parrilla.

La parrilla debe modificarse y dimensionarse, para quemar estos materiales combustibles y eliminar las cenizas, separándolas de los gases circulantes.



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La nueva concepción operativa del caldero debe permitir alcanzar rendimientos superiores al 80 %, mientras que con bagazo, difícilmente superan 70 %.

La conversión de los calderos

bagaceros al gas natural

permiten incrementar su

producción y eficiencia,

utilizando el bagazo como

insumo industrial con mayor

valor agregado 10 veces mayor.



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CAPÍTULO 9

aplicación del Gas natural en Procesos de Secado industrial

El agua constituye una condición para la vida. Todo en el planeta está constituido por materia y energía, en un equilibrio hidrotermodinámico permanente con el aire atmosférico. El contenido de humedad es una condición inherente a cualquier forma de presentación de la materia, influenciando sus características y propiedades fisicoquímicas.

En el ámbito industrial, el secado constituye el proceso de mayor frecuencia en la industria y se define como la transferencia de calor y masa para disminuir el contenido de humedad de determinados materiales en proceso y/o productos industriales, con uno de los siguientes objetivos:

Facilitar un proceso industrial posterior

Reducir costos de transporte

Permitir la utilización satisfactoria, final o intermedia, de un determinado producto

Permitir la conservación, almacenamiento y transporte de un producto

Mejorar el rendimiento de una instalación o equipo

Permitir el posterior aprovechamiento de subproductos. La disponibilidad del gas natural representa una ventaja formidable para cumplir tales objetivos, con importantes ventajas técnicas, económicas y ecológicas.



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9.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SECADO Y SUS IMPLICACIONES ENERGÉTICAS

El proceso de secado se ajusta a principios básicos y depende de factores y condiciones fundamentales que entrañan implicaciones energéticas de gran importancia. Dentro de este contexto hay que hacer referencia a los aspectos siguientes:

Propiedades del producto a secar como condicionantes del proceso de secado.

Mecanismos de transferencia de calor, transferencia de masa y circulación interna.

Períodos y duración del secado. 9.1.1 Características del producto a secar

En el producto a secar hay que considerar los aspectos siguientes:

Presentación de la humedad contenida.

Mecanismos de fijación de la humedad.

Mecanismos de transferencia de la humedad. Así, el líquido contenido en un cuerpo susceptible de desecación puede presentarse en forma pura o en solución, capaz de pasar al estado cristalino o coloidal. Este líquido puede ser adherente, capilar o de volumen, según la naturaleza de la vinculación líquido-cuerpo.

En definitiva, cada cuerpo presenta características propias que le hacen reaccionar de forma diferente ante la humedad de una determinada atmósfera (tensión de vapor) o el calor que se le suministra procedente de cualquier fuente térmica (desecación). En consecuencia, cada cuerpo, a una determinada temperatura, tiene un comportamiento particular, ante un determinado ambiente de humedad. La energía para liberar a un cuerpo de un líquido agregado, dependerá de las características de sorción de ese cuerpo. Este planteamiento es sumamente importante ya que el conocimiento profundo de los mecanismos de fijación y presentación de la humedad es básico para identificar los límites de viabilidad de las aplicaciones de energía para el secado, porque este análisis de las propiedades fundamentales del producto debe llevar a identificar alternativas de recambio, en procesos y/o productos, que permitan rebajar los consumos de energía usualmente requeridos.



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9.1.2 Secado por arrastre y por ebullición Este planteamiento está íntimamente relacionado con el propio proceso de secado. Cabe hacer referencia a dos grandes grupos de procesos: por ebullición y por arrastre. La ebullición de un líquido se produce cuando su temperatura es tal que la presión de vapor Pa, de dicho líquido es igual a la presión total ambiente Pt:

Pa = Pt

Este equilibrio de presión está, lógicamente, influenciado por el balance térmico existente. Así:

Para el agua pura a la presión atmosférica la temperatura necesaria es 100°C.

Para las soluciones acuosas la presión de vapor del agua desciende por la presencia de cuerpos no volátiles disueltos y la temperatura necesaria será superior a 100°C.

Para los sólidos húmedos, los fenómenos son análogos: según el estado del agua en el producto, ésta hierve a 100°C o más.

En todos los casos la temperatura de ebullición depende de la presión, siendo más baja con vacío. La ebullición propiamente dicha (formación de burbujas de vapor) es más difícil de observar en los sólidos o los cuerpos pastosos que en los líquidos. En el caso particular de la liofilización, se produce una sublimación al efectuarse un alto vacío sobre el producto previamente congelado. Para que se efectúe esta sublimación es preciso lograr unas condiciones de presión y temperatura tales que hagan permanecer al producto en su punto eutéctico. Este proceso, muy frecuente en farmacia y alimentación ,exige una preparación previa (la congelación). En todos los casos, el proceso de evaporación está determinado por el sistema de aporte de calor latente de evaporación. Este aporte es efectuado:

Por conducción, a partir de una superficie caliente en contacto con el producto.

Por radiación o generación interna de calor, debido a la exposición a rayos infrarrojos, a microondas o por un calentamiento dieléctrico.

Por convección, a partir de vapor de agua sobrecalentado o de un fluido hirviendo.



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La ebullición permite el secado de productos muy oxidables o la eliminación de un disolvente volátil, combustible en presencia de aire, por ebullición en un circuito cerrado. En el secado por arrastre, al ponerse en contacto un cuerpo húmedo con aire caliente y seco, se establece una diferencia de presión parcial de agua y temperatura, entre ellos, que se caracteriza por:

Una transferencia de calor entre el aire y el producto por efecto del salto térmico.

Una transferencia de agua que se efectúa en sentido inverso por baja humedad relativa en el aire.

En la Figura 9.1 se incluye un ejemplo típico de «arrastre de calor y masa» en el

secado de un producto muy hidratado. El secado se llama isoentálpico si la energía necesaria para la evaporación del agua es exactamente igual a la aportada por el aire caliente. El aire sirve como calefactor y gas vector para el agua evaporada, entrando seco y caliente en el secadero y saliendo húmedo y menos caliente. Precisamente este aire húmedo y menos caliente contiene, aún, un importante calor latente en el agua liberada; a él se ha hecho referencia anteriormente, calculándose un importante valor de energía recuperable en base a este principio. Tanto en la ebullición como en el arrastre, es la presión del vapor de agua del producto quien determina los intercambios entre el aire y el producto. Las bases teóricas que determinan estos intercambios que conducen al denominado estado de equilibrio, se recogen en la bibliografía técnica sobre el tema (p. e.: Loucin 1976).

Figura 9.1

Esquema de Secado por Aire



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En resumen la relación fundamental de este equilibrio es: Pp = Pt . aw

Pp = Presión de vapor de agua de una sustancia.

Pt = Presión de vapor de agua pura a la misma temperatura ―t‖.

aw = Actividad del agua o grado higrométrico del aire en el

equilibrio entre el sólido y la atmósfera que lo rodea. Las anteriores definiciones permiten medir la aw de un producto, determinando la humedad relativa de una pequeña cantidad de aire en equilibrio con ese producto. Existe pues, una relación entre aw y ns (contenido en agua, medido en kg de agua/kg de materia seca) a una temperatura dada. Esta relación se representa por la ―isotermia de sorción del producto‖.

En la Figura 9.2 se representa gráficamente esta relación para cuerpos de

diferentes grados de higroscopicidad. En la Figura 9.3 se recogen curvas de

sorción de diferentes cuerpos (según Kneule).

Figura 9.2



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Figura 9.3

Curvas de Sorción de Diferentes Materiales

La determinación de las curvas de sorción son de gran importancia para identificar con eficacia los condicionantes básicos de cualquier proceso de secado. Esta determinación es muy sencilla y existen métodos, como el de las «Sales Saturadas», descrito por Loucin, de fácil aplicación. En definitiva, cuando aw es diferente a 1 se dice que el producto tiene «agua libre» y si aw es sensiblemente menor que 1, se dice que el producto tiene «agua ligada». En este último caso el secado es más difícil y exige mayor aporte energético.



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9.1.3 Preparación previa del producto y fases del secado La definición de características fisicoquímicas del producto y su contenido de humedad definen los términos para selección del tipo de secado y las fases necesarias para completar lo objetivos del proceso. Casos típicos los representan los que eliminan contenido de agua en sistemas mecánicos de moldeado y prensado, antes de la etapa final de secado por arrastre o ebullición (Figura 9.4).

Figura 9.4 Este planteamiento lleva a importantes conclusiones en relación con la «preparación previa al secado». La isoterma de secado variará según se presente el agua dentro del producto de forma que una primera «deshumidificación» por procedimientos de bajo consumo energético o mediante aportaciones energéticas sustitutivas (p. e.: energía solar) facilitarían las fases finales del proceso de secado, exigiendo menor aporte energético. No siempre es fácil esta preparación previa del producto pues hay que tener en cuenta numerosos factores implícitos: Materia prima, relación tiempo/temperatura, aceleración de modificaciones internas, calidad final, aspectos higiénicos-contaminantes, etc. Se tratará de conjugar la viabilidad del pre-tratamiento y el tratamiento de secado con esos factores incidentes. Así, ciertos pre-tratamientos son igualmente interesantes como mejoradores de la calidad del producto y del balance energético del proceso:

Blanqueado de inactivación enzimática que destruye microorganismos (Industrias alimentarias).

Tratamiento al S02 que ralentiza la reacción de Maillard.

Tratamiento con ácidos (ascórbico, cítrico, cloruro de calcio, etc) o con sosa.

Congelación (para secado por liofilización). También merece atención la relación tiempo de secado-temperatura, directamente ligada a la curva de sorción del producto y a la etapa de preparación previa. La racionalización de estas variables puede llevar a dar preferencia a secadores de baja temperatura y de reducido período de secado; a investigar las condiciones de secado que eviten la obtención de un producto final inútilmente caliente; a favorecer el secado neumático; etc. Se abre, con



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este planteamiento, un amplio campo de investigación a fin de optimizar la calidad y el coste del secado y, en definitiva, a reducir el consumo energético vinculado a este proceso. Fases del secado Estos fenómenos caracterizan la transferencia de calor y materia y se admite que toda la resistencia a ésta, que hay que vencer mediante aportación energética, se sitúa en esa zona de coIchón-límite. Especial importancia tienen entonces los períodos de transferencia que, en teoría, son tres: Período 0 : Adaptación de la temperatura del producto a desecar. Período I : Período de velocidad de secado constante o de

evaporación superficial del agua libre. Período II : Fase de secado decreciente. La aportación del Período 0 es grande en productos de dimensiones considerables e incide fuertemente en el diseño y elección de un secadero así como en el sistema energético óptimo. El segundo Período existe mientras tenga lugar el proceso de evaporación hasta un punto de «contenido crítico de agua». Las razones del ralentizado del secado en ese período II (de múltiples subfases y variaciones) están en la ausencia de agua libre de superficie y los fenómenos de obstrucción de poros (costra) que acompañan en esta etapa final. En conjunto, la temperatura del cuerpo se aproxima a la del aire automáticamente, casi alcanzándola en un período más o menos largo (Fig. 9.5).

Figura 9.5

Figura 9.5



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El cálculo de estos períodos es muy complejo pero necesario pues permite conocer con exactitud los requerimientos energéticos, en cada momento, para evitar no sólo el deterioro del producto sino el derroche de energía. Todo este planteamiento hace referencia a los sistemas de secado por arrastre isoentálpico y tiene validez, con matizaciones, para el secado por ebullición, por liofilización o por arrastre no isoentálpico. En cada caso los factores temperatura y tiempo (básicos para efectuar el cómputo energético) tienen comportamientos peculiares que influyen decisivamente en el cálculo del pro-ceso de secado y en el diseño del secadero que corresponde. 9.1.4 Transferencia de calor y de masa

Otro de los principios básicos del proceso de secado se refiere al comportamiento del aire húmedo. El contenido en energía de este aire húmedo viene dado por la entalpía másica de las mezclas aire-agua. Este contenido, medible por muy diversos procedimientos, tiene gran interés desde el punto de vista energético, por definir el entorno de condicionantes externos en los que se basan los cálculos de recepción de energía recuperable. En esencia, el fenómeno evaporación que desempeña un papel primordial en el secado, hay que distinguirlo del clásico de vaporización ya que en aquél, la presión de vapor del líquido de la superficie húmeda es inferior a la presión total. Por consiguiente, este fenómeno de evaporación se caracteriza por un intercambio simultáneo de calor y materia. Debido a la corriente de aire que pasa sobre la superficie del líquido, el calor se transporta al líquido en condiciones de evaporación mientras que, simultáneamente, una parte de sus elementos pasa a la atmósfera en forma de vapor. Es una difusión basada en un evidente movimiento molecular. Esta transferencia de calor y materia se produce en el producto y en el medio que lo contiene. Las leyes de Fourier (donde interviene el gradiente de temperatura) y de Fick (donde interviene el gradiente de concentración de la sustancia), regulan, en teoría, la transferencia de calor y la transferencia de masa que se produce en un medio susceptible de difusión. Sin embargo, estas leyes no se aplican rigurosamente, ni de forma simple, en la realidad del secado. Así, la «migración interna de humedad» puede obedecer a razones de filtración, por presión, si se trata de cuerpos porosos. Esta observación reviste especial interés pues se relaciona con la posibilidad, ya comentada, de la reevaluación de los sistemas mecánicos de secado, de menor consumo



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energético, capaces de forzar ese efecto de filtración sin necesidad de transferir, mediante aportación energética, calor de intercambio. Por otra parte está el proceso de transferencia de calor y de materia en el aire que rodea al producto. En la mayoría de los secadores industriales este aire adquiere un cierto régimen de turbulencia dejando siempre un colchón-límite de separación, con circulación laminar, como se representa en la Figura 9.6. Esta masa de aire A’ está en equilibrio de humedad y temperatura con la superficie del sólido de forma que:

T’ = Ts i’ = aws

Figura 9.6

El secado por contacto se basa en la propagación del calor por conducción: la materia se encuentra en contacto con superficies calientes. Se distingue:

a) Secado por vaporización pura (el espacio receptor del vapor no contiene gas inerte y el calor se difunde sólo por la superficie de contacto).

b) Secado por evaporación (un medio secador aire-vapor aporta un

suplemento de calor al calentamiento en superficie). En el calentamiento por convección, el calor se transporta por el desplazamiento de partículas materiales procedentes de líquidos o gases.



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Cuando no existe un soporte material para ese desplazamiento se habla de propagación por radiación. El secado emplea a menudo los denominados «radiadores selectivos» que presentan un poder selectivo de absorción de amplias bandas de espectros energéticos. 9.1.5 TIPOS DE SECADORES

Existe una amplísima gama de secadores; esto se debe a la diversidad de productos a tratar, de volúmenes a secar y de condicionantes impuestos por el producto a secar, el fluido secador y el material de composición del secador. Numerosos autores han descrito y clasificado los diferentes secadores existentes. Quizás, hasta ahora, entre esos criterios de clasificación y jerarquización hayan tenido poco peso los relativos al consumo de energía; ello permite abrir un campo de estudio y clasificación de secadores en base a este importante criterio. En cualquier caso, y tan sólo a título orientativo, en el Cuadro 10.1 se recoge la clasificación de Kneule relativa a los secadores industriales. Sin entrar en la descripción de los mismos, sólo destacar las variables utilizadas por Kneule para clasificar y analizar los secadores:

Cuadro 10.1

Clasificación de Kneule

a) Tipo de propagación de calor (convección, conducción, radiación y espirales).

b) Presión utilizada en el proceso (normal o vacío).

c) Movimiento del producto (inmóvil, base móvil, gravedad, etcétera).

d) Corriente de secado (paralela, contracorriente, transversal, etc.).



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e) Aportación de calor (continua, discontinua, de caldera con vapor, directa

con fuel, etc.). f) Técnicas especiales en cada caso (bandejas, cilindros, tambores, túneles,

bandas, etcétera). Tienen gran interés desde el punto de vista energético y merecen destacarse, por cuanto implican desarrollos tecnológicos a tener en cuenta, los secadores basados en procedimientos especiales de aportación de calor:

Secadores de radiación: Pueden ser hornos de carga intermitente o túneles de secado y funcionan con o sin desplazamiento de aire. La base es el cuerpo radiante; recientemente han adquirido gran importancia los radiadores infrarrojos de cuarzo y los radiadores oscuros. Tienen gran interés en invernaderos, lacas, tejidos, etc.

Secaderos dieléctricos, basado en la propagación del calor por despren-

dimiento calorífico interno mediante la generación de campos eléctricos de alta

frecuencia. La aplicación de este principio a ciertos procesos de secado (p. e.:

madera) puede ofrecer notables ventajas energéticas, incrementadas aun si se

realiza al vacío (secado discontinuo al vacío).

Secado por congelación y/o liofilización, entre los que se encuentran las cámaras de secado, los shell-freezing, los tubos de regulación y los de pulverización y congelación.

Alguno de los secadores mencionados se han representado en la Figura 9.7.

Finalmente debe hacerse mención a un amplio número de procedimientos especiales de aportación de calor: secado rápido a alta temperatura, secado



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por vapor sobrecalentado, aplicación de gases de combustión como agentes de secado y utilización de aceites, productos químicos y disolventes en caliente, como agentes de secado.

9.2 GENERACIÓN DE GASES CALIENTES CON GAS NATURAL La disponibilidad de gases calientes limpios para el secado resulta un factor fundamental para la mayoría de formas y tecnologías de secado industrial. El gas natural, constituido fundamentalmente por metano y prácticamente sin impurezas, representa una ventaja formidable en este campo, por razones de carácter económico, técnico y ecológico : El metano es una molécula perfecta (CH4), su combustión es perfecta y sus productos de combustión también son moléculas perfectas (CO2 y H2O) que son también constituyentes del aire atmosférico (Figura 9.8).

Figura 9.8



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La limpieza del gas natural, conformado exclusivamente por metano y etano, su facilidad para asegurar una combustión completa y la composición de sus gases de combustión, permiten asegurar la utilización directa de dichos gases con una proporción adecuada de aire de dilución en cualquier proceso de secado. En la Figura 9.9 se muestra objetivamente la factibilidad de disponer de aire

caliente para cualquier tipo de secador por arrastre o ebullición, mostrando que los componentes de la reacción de combustión del metano, al diluirse con aire (5 a 1), constituyen, prácticamente, aire caliente.

Figura 9.9

Al efectuar la dilución con una proporción de 5 : 1 aire – gases, el resultado tendrá una composición muy parecida al aire, siendo la única diferencia una ligeramente mayor proporción de CO2 y H2O que constituyen elementos inertes en el proceso de secado. Se utilizan principalmente dos sistemas para disponer de gases calientes para secadores industriales: Generadores de Calor, gases de combustión con aire de dilución, y Calentamiento de aire en ductos, utilizando quemadores en línea tipo vena de aire.



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9.2.1 Generadores de calor Estos equipos también llamados Boosters o Muflas en la práctica industrial están constituídos por un sistema de combustión en hogares similares a los de calderos pirotubulares, rodeados por ua chauqeta con aire ventilado. La regulación de gases de combustión y aire de dilución permite regular la temperatura de los gases en los niveles exigidos por cada sistema particular de secado. La utilización de gas natural permite manejar temperaturas moderadas en los gases de combustión para mantener el ducto interior sin revestimiento refractario, manteniendo combustión completa. Aunque el aire de dilución mantiene refrigerada la chapa interior, puede resultar conveniente inyectar parte del aire por la parte interna, rodeando la llama; este diseño resulta indispensable con combustible líquidos, debiendo instalarse en caso de utilizar quemadores duales.

En la Figura 9.10 se muestra un generador de gases calientes para secado muy simple, en el cual el aire de dilución es succionado por el tiro del sistema del secador. En este equipo, la temperatura de los gases para el secador se regulan con el flujo de gas natural en el quemador y la regulación del tiro- Figura 9.10



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En la Figura 9.11 mostramos un equipo similar en cuanto al trabajo realizado,

pero totalmente automatizado. El aire de dilución es aportado por un ventilador ubicado en la parte superior y la mezcla se produce por tiro forzado, regulándose la temperatura y el flujo de aire mediante un sistema feed back que alimenta un PLC que control automáticamente los parámetros de cotrol operativo del secador.

Figura 9.11

Generador de suministro controlado de gases para secado

9.2.1 Calentamiento en línea El calentamiento del aire impulsado por ventilador se efectúa directamente en el interior de los ductos de transporte, regulando la temperatura de los gases mediante la modulación del aporte de combustible y combustión. Esta posibilidad resulta muy práctica y efectiva para disponibilidades moderadas de aire caliente y niveles igualmente moderados de calentamiento y secado,



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En la Figura 9.12 se muestra un sistema completo, con su propio ventilador, que constituye un ―cañón de gases calientes utilizables para cualquier sistema de secado, la regulación del flujo de gas al quemador tipo ―vena de aire‖ permite regular la temperatura. El volumen total d egase s puede regularse con un dámper en la descarga del ventilador y/o mediante un convertidor de frecuencia que regule las revolciones del motor.

Figura 9.12

Cañón de gases calientes para secado

Para implementar este sistema en instalaciones que utilizaban

radiadores de aceite térmico, resistencias eléctricas y otros sistemas de aporte térmico, conservando el ventilador y los ductos existetes, se implementan en el interior de los ducto un quemador en vena de aire como el que se muestra en la Figura 9.13. Estos sistemas pueden trabajar con Gas Natural o GLP, con los

quemadores adecuados. Figura 9.13

Quemador en Vena de Aire



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9.3 APLICACIONES INDUSTRIALES DE SECADO DIRECTO CON GAS NATURAL

Figura 9.14

Limpieza del Gas Natural

permite secado directo

La limpieza de los gases de combustión del gas natural establece la posibilidad de secado directo, siempre conveniente desde el punto de vista energético. Las principales ventajas del secado directo son las siguientes: • Inversiones inferiores a cualquier otra solución técnicamente equivalente. • Rendimiento térmico elevado y sin pérdidas en el transporte del fluido. • Funcionamiento posible a temperaturas más elevadas que con el vapor. • Posibilidad de aumento y mayor homogeneidad de la transmisión de calor

respecto a los productos a tratar. • Control de temperaturas más exacto y posibilidad de modificación de

temperaturas más rápida durante el ciclo. • Espacio compacto reducido. Entre los procesos de calentamiento directo por quemadores en corriente de aire, podemos destacar los siguientes: 9.3.1 Ventilación atemperada de locales industriales (Climatización). En algunos procesos industriales, tales como la fabricación de sanitarios y otros productos cerámicos, el secado debe realizarse en forma muy lenta, lo que se consigue con el movimiento de las piezas en el interior de un ambiente industrial cerrado y climatizado, utilizando aire precalentado en forma indirecta en equipos que utilizan como fuente térmica combustibles líquidos. Estos equipos deben instalarse fuera de l a sala de secado, para evitar la contaminación con gases de combustión con presencia de inquemados , cenizas y volátiles peligrosos, conduciendo el aire calentado mediante intercambiadores aire – gas a través de ductos que introducen el aire caliente en diferentes puntos de el local, utilizando el tipo de ductos que se muestran en la Figura 9.15 y sistemas de extracción natural y/o artificial adecuados-



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Figura 9.15

Ductos de distribución de aire

caliente La disponibilidad de gas natural permite

utilizar directamente para climatización los gases de combustión mezclados con aire de dilución y además, ubicar el sistema en el interior de la nave industrial, lo que permite, adicionalmente, aprovechar las pérdidas por convección y radiación. En la Figura 9.16 se muestra el equipo adecuado para

cumplir esta función La parte esencial del equipo es el quemador, que debe comprender ciertos dispositivos de seguridad que garantizan y protegen al personal y los productos de las consecuencias de incidentes eventuales de funcionamiento: • Detector de llama, a tiempo de respuesta rápida, destinado a cortar el gas

caso de fallo del encendido o de paro imprevisto de la combustión; • Presostatos de presión, destinado a mantener el caudal de gas entre los

límites de seguridad impuestos; • Termostato de máxima sobre la temperatura de la mezcla aire-productos de

combustión, para evitar todo riesgo de sobre-calentamiento accidental, sea por exceso de gas o por insuficiente caudal de aire;

• Dispositivo de enclavamiento del encendido del quemador, a la puesta en

servicio del ventilador de la corriente o vena de aire.

Figura 9.16

Generador de aire caliente para climatización de equipos y naves industriales.

Las ventajas del sistema pueden resumirse como sigue:



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• Economía de combustible de 25 a 40 %, • Reducción del coste de mantenimiento superior al 50 %, • Disminución de 35 a 50 % en la inversión global de la instalación, • Mínimo espacio ocupado y rápida puesta en régimen. Además de la ventilación de grandes locales industriales, el procedimiento es indicado para establecer cortinas de aire caliente, para renovación de aire en las cabinas de pintura, para locales comerciales, etc. 9.3.2 Secado directo de alimentos y productos agrícolas e industriales

La posibilidad del secado directo con aire calentado con gases de combustión limpios permite reemplazar el uso de sistemas de calentamiento de aire utilizando vapor o aceite térmico, disminuyendo considerablemente la complejidad de operaciones y costos de producción. Este procedimiento encuentra aplicación especialmente para el secado de la malta, la alfalfa y los granos (maíz, trigo, centeno, etc.), fabricación de leche en polvo por atomización en la corriente de aire caliente, etc. Su aplicación resulta particularmente importante en el campo de la agroindustria, en la cual las normas y controles de calidad resultan menos exigentes que en la industria alimentaria. Algunas aplicaciones típicas en este campo: secado de páprika, arroz cáscara, hojas de tabaco, cochinilla, tara, etc. Para alcanzar temperaturas de 180 0C a 200 0C, compatibles con las exigencias del secado por atomización, el vapor, en caso de calefacción indi-recta del aire, debe alcanzar presiones del orden de 14 a 20 bares, como resulta del cuadro adjunto:



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Temperatura del Temperatura del Presión del vapor

aire secado vapor (saturado) (saturado) � 100°C 125 -150 °C 1,5 - 4 bares 150°C 175 - 200°C 8 - 15 » 200°C 225 - 250°C 25 - 40 » 250°C 275 - 300°C 60 - 86 » 300°C 325 – 350°C 122 -168 »

Para esta aplicación es posible obtener economías de un 20 a un 30 % en inversiones para caudales de aire de más de 30000 kg/h y rendimientos superiores del 20 al 25 %. Otro ejemplo interesante es el de fabricación de un concentrado en proteínas a partir de residuos de pescado. A partir de éstos se prepara un hidrolizado de proteínas solubles, que se precipitan por atomización. En la Figura 9.17 se muestra la sustitución de todo el sistema de suministro de aire caliente mediante un circuito completo de aceite térmico que resulta totalmente reemplazado por la instalación de un simple, práctico y efectivo quemador de has natural en vena de aire.

Figura 9.17 Sustitución del Circuito de Aceite Térmico por un Quemador en Vena de aire para secado en la industria pesquera



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En el secado industrial podemos citar el secado de ladrillos y piezas cerámicas crudas, en donde el quemador se incorpora a la corriente de los gases y aire procedentes de la combustión en el horno, con lo que, de esta forma, puede recuperarse su calor. Debe también señalarse el secado de textiles estampados y del papel en curso de fabricación. 9.3.3 Incineración de efluentes combustibles En algunos procesos de secado de materiales que necesitan ser pintados y/o revestidos con sustancias que les confieran características especiales se liberan por volatilización elementos hidrocarburados que no pueden ser emitidos a la atmósfera. Para cumplir las normas establecidas, deben instalarse incineradores (Figura

9.18)que mediante procesos de combustión los convierten en materiales inertes

: CO2 y H2O que constituyen los gases de combustión de cualquier hidrocarburo. En la misma forma, podrán ser eliminados los hidrocarburos que puedan volatilizarse de cualquier material en proceso, tales como solventes y lubricantes..

Figura 9.18

Incinerador de efluentes combustibles La incineración se efectúa por combustión directa a 700 – 800°C, o bien por combustión

catalítica hacia 350 – 400°C. Esta última depende de la posibilidad de envenenamiento del catalizador y de su regeneración. El quemador en corriente de aire permite una homogeneización de temperatura muy rápida al nivel del quemador, de forma que la longitud de la cámara de combustión es menos importante que en otras técnicas, donde la homogeneización tiene lugar en la cámara. Para contenidos de oxígeno superiores a 18 % en los efluentes, la dilución de los solventes es suficiente para que aquellos (a menudo a temperatura de 100°C) puedan servir de comburente en la incineración. Para contenidos más bajos, es necesario un aporte suplementario de aire (oxígeno). Como empleo de incineración de efluentes podemos citar el caso de las imprentas (offset), de las instalaciones de secado y cocción de lacas, barnices y pinturas, etc. El disponer de gas natural, además de representar ventajas técnicas,



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económicas y ecológicas en este proceso, permite considerar la posibilidad de aprovechar el poder calorífico de los efluentes para calentar el aire de secado del proceso, utilizando equipos con diseños especiales y la utilización de quemadores especiales que permiten mantener la combustión con altos niveles excesos de aire (Figura 9.19)

Figura 9.19

Regenerador de efluentes combustibles para calentamiento de aire

9.3.4 Hornos industriales a fuego directo

En la industria existen muchos tipos de hornos de fuego directo, pero cuando se utilizan combustibles líquidos o sólidos, con impurezas y presencia de inquemados que pueden afectar el proceso y/o el producto, se deben implementar sistemas de y aporte térmico indirecto que resultan menos eficientes y más costosos. En algunos casos, puede utilizarse aditivos inhibidores de corrosión y otros efectos negativos. La combustión del gas natural permite disminuir sensiblemente la importancia de las cámaras de combustión, e incluso eliminarlas completamente, repartiendo el caudal calorífico en múltiples quemadores situados en los lugares más favorables. Es el caso de los hornos túnel de cocción de cerámica y de porcelana a fuego directo, equipados de quemadores múltiples situados en las paredes y en la bóveda.



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Se pueden igualmente adoptar quemadores radiantes a alta temperatura, como los descritos en el capítulo de los quemadores intensivos, los cuales aportan la energía calorífica a la carga del horno por radiación, así como quemadores de gran velocidad de salida de los productos de combustión o quemadores «jet», que activan fuertemente la transmisión de calor por convección. Otros hornos recurren a técnicas específicas diferentes de las utilizadas para otros combustibles, por ejemplo: los hornos de fusión en metalurgia, la fabricación de hierro fundido en hornos cuba a gas sin coque, la fabricación de cal, la calcinación a fuego directo, la producción de cromato sódico, el termofijado y el secado de tejidos, etc. Finalmente, existe en muchos casos la posibilidad de equipar los hornos con recuperadores continuos de calor para precalentar el aire, teniendo en cuenta que sus productos de combustión no son corrosivos ni cargados de hollín o polvo. En hornos tales como el que se muestra en la Figura 9.20 para calentamiento de palanquillas de acero para laminación, al utilizar combustibles líquidos con el exceso de aire mínimo necesario para asegurar combustión completa, el oxígeno presente en la atmósfera del horno produce la oxidación del acero y la consiguiente formación de cascarilla que además de constituir pérdida de producto, complica la continuidad operativa y mantenimientos del propio horno y de los sistemas posteriores de laminación. La combustión de Gas Natural con niveles mínimos de oxígeno, inferiores a 1%, facilita el control de la atmósfera interna del horno, favorece el proceso, la calidad del producto, la limpieza en la laminación y disminuye considerablemente los costos de fabricación.

Figura 9.20 Horno de calentamiento de palanquillas de acero



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9.3.5 Calentamiento de líquidos por combustión sumergida En la combustión sumergida, los líquidos se calientan por contacto directo con los productos de combustión generados por el quemador, el cual penetra directamente en el líquido. El intercambio térmico es tan rápido que los productos de combustión abandonan el líquido por su superficie a la temperatura de este último. Estos productos salen cargados de los productos volátiles del líquido. Por el contrario, éste puede disolver los compuestos solubles (principalmente el anhídrido carbónico CO2). Los productos de combustión emergen saturados, puesto que la cantidad de agua de saturación de los productos de combustión aumenta con su temperatura. Ello tiene las siguientes consecuencias: • A cierta temperatura (55°C para el gas natural), la cantidad de agua

producida por la combustión equivale a la cantidad de agua de saturación. El rendimiento respecto al P.C.I. (poder calorífico inferior) es del 100 %;

• A temperaturas inferiores, parte del agua producida por la combustión se

condensa en el baño, recuperándose su calor de vaporización. El rendimiento respecto al P.C.I.F resulta superior al 100 %;

• A temperaturas superiores, se produce el fenómeno contrario. Hay

evaporación de agua del baño para saturar los productos de combustión y ello de forma creciente con la temperatura, hasta una temperatura próxima a los 90°C, para la cual todo el calor desprendido por los productos de combustión se emplea en evaporar el agua de saturación. A dicho límite, el rendimiento en relación al P.C.I. es nulo y no es posible aumentar la temperatura del líquido, por lo que conviene no sobrepasar los 80°C si se desea conservar un valor aceptable del mismo.

Los quemadores de combustión sumergida, de los que existen numerosos modelos y de los que hemos representado un tipo en el capítulo de quemadores, se utilizan para el calentamiento de baños de decapado, para la concentración de soluciones, calentamiento de piscinas y de grandes cantidades de agua, producción de atmósferas saturadas de agua, regulación de reacciones químicas, etc. (Figura 9.21)

Figura 9.21

Quemador para

combustión sumergida



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9. 4 GAS NATURAL EN SECADORES DE PULPA PRENSADA

La industria de la pulpa prensada proporciona los envases para protección de una

importante variedad de productos que deben protegerse para su comercialización y/o exportación, utilizando papel reciclado debidamente procesado y acondicionado con el aglutinante conveniente para preparar una pulpa con la consistencia y características adecuadas para ser prensada, utilizando moldes metálicos minuciosamente diseñados y fabricados. Al quedar conformada la bandeja o envase, tendrá un contenido de humedad todavía elevado (75-80%), que deberá ser eliminada para conformar el producto final con las características de forma y consistencia más adecuadas para su almacenamiento, manipuleo y utilización. 9.4.1 Caracterización del producto a secar

Para definir las condiciones y parámetros de secado de las bandejas se deben tomar en cuenta el material de las mismas y los aditivos que se utilizan para aglomeración (colas), la forma de las bandejas y su nivel de exposición al flujo secador, la calidad del prensado y su acondicionamiento térmico. Las bandejas están constituidas básicamente por celulosa, la cual tiene un excelente comportamiento en cuanto a su curva de sorción (facilidad con la que se desprende la humedad contenida. En cuanto a la cola que se utiliza como aglutinante, solamente debe asegurarse que tenga un punto de ebullición superior a la temperatura de operación para evitar que se volatilice en el interior del secador y luego se condense en la atmósfera, provocando contaminación y riesgos por zonas resbalosas, al acumularse en el piso.



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Respecto a la forma de las bandejas, los apropiados diseños utilizados permiten un excelente nivel de contacto entre el material y los gases de secado, favoreciendo el arrastre de la humedad. La permanente preocupación por perfeccionar el diseño mecánico y el control operativo de la prensas ha producido un resultado formidable en la mayoría de plantas que conocemos, habiendo llegado a optimizar su funcionamiento, disminuyendo el contenido de humedad a niveles bastante adecuados.. 9.4.3 Descripción del Proceso que se desarrolla en el Secador

El proceso de secado que se produce en los secadores de bandejas de pulpa prensada es por ebullición y arrastre; lo que significa que debe calentarse la bandeja por encima de 100°C para que se produzca la ebullición del agua contenida En el desarrollo del proceso podemos considerar y caracterizar las siguientes etapas: Etapa 1: Calentamiento Al ingresar las bandejas húmedas (70%) y relativamente frías (50°C) al secador se inicia una primera etapa en el secador: Calentamiento. En esta etapa el requerimiento de calor es limitado ( 50 kcal/kg de pulpa húmeda), porque solamente se consume en la elevación de la temperatura de las bandejas (calor sensible). En forma equivocada, en algunos secadores se inyecta mucho combustible en los quemadores ubicados esta zona, lo que produce muchas pérdidas de calor al exterior y podría ocasionar problemas en la estabilidad de las bandejas si se llega a calentar exageradamente, provocando la brusca evaporación del agua; debemos recordar que al vaporizarse el agua aumenta 500 veces su volumen para entender porque debe producirse en forma lenta y gradual en el secado Cuando el sistema de calentamiento es con calentamiento exterior, en los secadores modernos, la distribución de calor que ingresa por la parte opuesta, determina que esta zona resulte la de menor concentración térmica, lo que resulta apropiado. Etapa 2: Vaporización Para entender correctamente lo que sucede en esta etapa resulta necesario considerar que siempre se produce una migración de humedad de las bandejas al aire, siendo la única excepción el punto de equilibrio entre las presiones parciales de la humedad del aire y el material, lo que se produce cuando las bandejas tienen alrededor de un 7% de humedad y condiciones normales de presión y temperatura. En el interior del secador, lo que realmente sucede es que se produce un



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desplazamiento muy lento de la humedad (secado) que se agudiza a medida que se eleva la temperatura de la bandeja. En esta etapa, al llegar la bandeja a temperaturas más altas se acelera la transferencia de masa de agua desde las bandejas a los gases circulantes, llegando a depender el secado de la capacidad de los gases para seguir recibiendo humedad que se vaporiza, pudiendo llegar a saturarse si no circulan con la velocidad necesaria. En esta etapa se consume la mayor cantidad de calor; en secadores que tengan quemadores distribuidos se tendrá que inyectar la mayor cantidad de combustible. En los secadores con fuente de calor externa, se mantienen las condiciones térmicas, dependiendo el proceso de la velocidad con la que viajan las bandejas; debe apreciarse en estos últimos secadores con varios pases de bandejas, que el diseño considera los primeros pases de las bandejas por la parte superior, donde se mantienen las condiciones de temperatura más altas, al inyectarse y orientarse los gases calientes de arriba hacia abajo, por donde se extraen gases más fríos y húmedos. Tercera Etapa: Secado Podemos denominar como secado a esta etapa, porque la caracterizamos por la disminución de humedad de las bandejas hasta niveles mínimos, produciéndose el desplazamiento de humedad principalmente por arrastre. Esta etapa resulta más lenta, siendo necesario alargarla debido a que la humedad migra cada vez con menos facilidad; así puede comprobarse observando la curva típica de secado (Anexo 1). Para cada secador se debe construir la curva de secado, tratando de orientarla hacia la curva típica, en la cual se conseguirán los mejores resultados de producción y eficiencia, manteniendo la calidad y rechazos mínimos en las bandejas. Cuarta Etapa: Estabilización Esta última etapa en el secador consiste básicamente en la zona que permanece la bandeja prácticamente seca sin exposición al calor, en contacto con el aire atmosférico, por lo que también podría llamarse de enfriamiento. Tomando en cuenta que la disminución de humedad podría alcanzar valores inferiores al punto de equilibrio (7%), a medida que se enfrían las bandejas en contacto con el aire, se estabilizará el equilibrio entre las presiones de vapor de las bandejas y el aire, dependiendo esta condición también de la humedad relativa del aire atmosférico. También en esta etapa se realiza el control de calidad de salida de las bandejas del secador, permitiendo comprobar directamente si el proceso de secado se ha desarrollado correctamente. El arqueado de las bandejas o el quemado de las puntas, indican un secado excesivo en el interior del secador; humedad residual y cierta falta de rigidez de las bandejas, secado insuficiente.



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9.4.4 Termofluidodinámica del proceso

La transferencia de calor en el interior del secador se produce principalmente por convección, entre los gases calientes y las bandejas húmedas e inevitablemente las parrillas; en menor proporción se transfiere calor por conducción, entre la parte más expuesta al calor de las bandejas y alguna parte fría y entre las parrillas y las bandejas en contacto con las mismas, en razón de que el material metálico de las bandejas calienta más rápidamente que las bandejas. .

Para favorecer este proceso resultan de importancia los siguientes factores:

Diferencial de temperatura entre gases y bandejas

Nivel de turbulencia de los gases dentro del secador

Superficie de bandejas expuestas al contacto con los gases en movimiento

La transferencia de masa resulta la operación más importante por constituir el secado mismo. La transferencia de masa de agua desde la bandeja a los gases calientes se favorece en la medida que se incrementa la temperatura de la propia bandeja y también del aire; en el primer caso el agua tiende a desprenderse de la bandeja; y en el segundo, por aumentar la avidez del aire para arrancar el agua de la bandeja. Los límites termodinámicos para ambas temperaturas los representan aquellos que representan la posibilidad de efectuar la transferencia de masa con tanta violencia que afecten la estructura de la bandeja. La mecánica de fluidos que se maneja dentro de los secadores tiene mucha influencia sobre la eficiencia y rendimiento térmico del secado. Podemos establecer los factores que revisten mayor influencia sobre la calidad del proceso:

El factor de mayor importancia es el aislamiento del secador respecto al medio exterior. En la medida que se pueda conseguir el mayor nivel de hermetización del secador se podrá conseguirlos mejores rendimientos térmicos del sistema.

Recirculación de gases: La capacidad de los gases para captar humedad se mantiene casi inalterable por los bajos niveles de contenido de humedad que alcanzan, por lo cual pueden mantenerse altos niveles de recirculación de gases, desechando solamente una mínima proporción que será reemplazada por aire fresco. Al establecer un equilibrio entre la humedad contenida en los gases que se eliminan y la que se extrae de las bandejas, se



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logrará una condición de operación ideal del sistema, por lo cual resulta tan importante la continuidad operativa de los secadores.

Orientación de los gases: En la mecánica de fluidos que se maneja dentro del secador la convección reviste gran importancia. Tomando en cuenta que los gases calientes tienen siempre la tendencia a subir, en los secadores la tendencia natural será el ingreso de los gases calientes por la parte baja de las cámaras de secado, transcurriendo los gases hacia arriba por convección a través y en contacto con las bandejas. Para conseguir mayores niveles de contacto y aprovechamiento se tendrá que invertir energía en forma de impulso, para forzar un arreglo diferente de uno o varios pasos. La tendencia en los secadores modernos es introducir los gases por la parte superior en forma controlada , impulsando la salida por la parte baja.

9.4.5 Las ventajas del uso de gas natural como combustible en este tipo

de secadores

Las características descritas de este tipo de secadores y los factores que se manejan para optimización del proceso de secado permiten establecer la conveniencia de utilizar gases circulantes con la limpieza, manejo y facilidad de regulación que permite la combustión del gas natural diluido con aire igualmente limpio de reposición. Dependiendo del tamaño del secador, podría utilizarse un quemador en

vena de aire que introduzca el aporte térmico mínimo requerido para mantener las temperaturas previstas para cada sector y etapas del proceso (Figura 9.22).



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Figura 9.22

Quemador de Gas Natural en vena de aire

Para instalaciones de mayor capacidad resultará necesario instalar un generador de calor

que constituye el motor de un circuito cerrado circulante en el cual solamente serán eliminados al ambiente los gases que se encuentren cercanos al punto de rocío, en el punto inmediatamente antes de volver a ingresar al generador, donde volverán a recibir calor, desplazando su punto de equilibrio de presión de vapor, recuperando su capacidad de secado. La limpieza perfecta de los gases calentados con gas natural permitirá instalar sensores que permitan este sistema control totalmente automatizado. En el Diagrama de la Figura 9.23 se presenta el Diagrama de un Sistema de

Secado que funcionando con gas natural, permite el aprovechamiento adicional de los gases de salida para precalentar agua, incrementando la eficiencia global del circuito. Resulta indispensable para mantener un control operativo permanente en los máximos niveles de eficiencia, disponer siempre de un Balance de Materia y Energía.



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Figura 9.23

9.5 MÁQUINAS RAMA CON GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA TEXTIL

El secado y otras operaciones que se realizan en máquinas Rama en la industria textil exigen calor limpio y un buen control termodinámico, lo cual exige el uso de aire caliente o gases de secado producidos con combustibles limpios, tales como el GLP y el Gas Natural; la utilización del primero tendrá que evaluarse en términos económicos, la disponibilidad de gas natural es una oportunidad que no se puede desperdiciar en ningún caso. Una máquina Rama a convección forzada se compone de varios compartimientos idénticos, de una longitud aproximada de 3 m, incluyendo cada uno su propio dispositivo de calefacción y ventilación. Las máquinas Rama asocian al efecto térmico una acción mecánica de estirado transversal del tejido, cuyos bordes se sujetan lateralmente mediante unas pinzas arrastradas por dos cadenas sin fin, que permiten la traslación del tejido en un plano horizontal (Figura 9.24).

QuemadorQuemador

LPG.LPG.

Ventilador deVentilador de

CombustiCombustióónn

Ventilador Ventilador

CirculadorCirculador

IntercambiadorIntercambiador

de calor.de calor.

Diagrama Secador

Agua Caliente

Agua Fría

VentiladorVentilador

CirculadorCirculador

―Top Channel‖

―Bottom Channel‖

Campana



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Figura 9.24

Máquina Rama Uno de los equipos más importantes de la

Industria Textil

La zona de combustión del gas se encuentra siempre en depresión con respecto al recinto calentado, depresión motivada por los ventiladores de barrido. La combustión se realiza, bien sea en el interior de tubos perforados de acero refractario o bien directamente en una vaina de aspiración de aire fresco y atmósfera reciclada. Existen dispositivos especiales que permiten efectuar el calentamiento directo o indirecto a voluntad del usuario. Un registro especial permite evacuar los productos de la combustión al exterior, a través de una chimenea, o bien introducirlos, total o parcialmente, en el interior de la Rama. La potencia térmica requerida varía entre 120 y 200 termias/h por compartimiento, según sean los tratamientos a realizar y el peso por metro del tejido a tratar. Se consigue dicha potencia por medio de un número variable de quemadores, así como por distintos sistemas de alimentación. La regulación automática de la temperatura se realiza individualmente para cada uno de los compartimientos a través de las indicaciones de un detector situado generalmente frente a los ventiladores de barrido. Las ventajas del calentamiento directo a gas natural son de orden técnico y económico.

Ventajas de orden técnico:

Espacio reducido: El espacio en una Rama para la cámara de combustión de gas es mucho menor que el del intercambiador correspondiente, lo cual facilita la adaptación de equipos de calefacción directa a gas en los apa-ratos existentes.

Gran flexibilidad térmica: la instalación de potencias caloríficas altas, unido

a la baja inercia térmica del dispositivo de calentamiento, permiten obtener una rápida variación de temperatura en la cámara de tratamiento, dis-minuyendo con ello los riesgos de deterioro de tejidos.



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Simplicidad de construcción y funcionamiento; la construcción de los

aparatos se simplifica por la supresión de vainas, chimeneas, intercambiadores, etc., necesarios en el calentamiento indirecto.

Ventajas de orden económico:

• Gastos de inversión reducidos: la simplicidad del procedimiento permite reducir notablemente los gastos, tanto en la adquisición de nuevos aparatos como en la adaptación de los existentes.

• Gastos de mano de obra bajos: los gastos de explotación imputables al

calentamiento a gas son prácticamente nulos, en razón del automatismo de los equipos.

• Consumo reducido: el consumo de combustible es extremadamente

reducido, ya que los productos de la combustión del gas contribuyen íntegramente al calentamiento de la máquina.

• Gastos de entretenimiento mínimos: los gastos de entretenimiento de los

quemadores son prácticamente nulos, así como los de limpieza y conservación de las partes mecánicas internas del aparato, debido a la combustión completa del gas.

• Mejora de la productividad: la potencia y baja inercia térmica de los

equipos de calentamiento directo a gas permiten variaciones rápidas de temperatura, reduciéndose los tiempos muertos que separan las operaciones sucesivas efectuadas a distintas temperaturas, pudiéndose incrementar el número de tratamientos durante una misma jornada.

Ejemplo: Tratamiento de textiles Los textiles de todas clases, naturales, artificiales y sintéticos, excepto la lana, son tratados en una planta donde se procede a su blanqueo, tinte y apresto. La capacidad de tratamiento es de 500 piezas de 100 m de longitud por día. El equipo está diversificado en función de los tratamientos realizados, y los aparatos están calentados con vapor, electricidad y gas natural. Aparte de las instalaciones de lavado y tinte, que no describimos aquí, la fábrica está provista de los elementos térmicos siguientes:

1 máquina Rama de calentamiento mixto vapor y gas; 1 «Hot-Flue» calentado por vapor y electricidad; 1 presecador calentado por gas mediante paredes radiantes.

Finalmente citaremos otros diversos materiales calentados por gas, pero de menor importancia: 2 mercerizadoras, 1 estampadora, 1 flameadora. Vamos a discutir someramente la Rama y el presecador. La Rama está formada por la yuxtaposición, en longitud, de cuatro compartimientos idénticos. El primero está calentado sólo por vapor, mientras que cada uno de los tres siguientes está equipado, a la vez, de tubos de vapor con aletas y de quemadores de gas.



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Para el secado hasta 160-165 0C el calentamiento se hace sólo con vapor, pero para los tratamientos térmicos de fibras sintéticas hasta 220 0C, el calentamiento es mixto: vapor y gas. El calentamiento únicamente con vapor puede evaporar 810 kg/h. La Rama trabaja por convección forzada de aire caliente o, en la marcha mixta, por una mezcla de aire caliente y productos de combustión de gas. Cada compartimiento está equipado de 8 ventiladores de reciclado, a razón de 4 por cada lado (Figura 9.25), montados sobre un eje único y accionados por un motor de velocidad de transmisión por polea. Cada compartimiento lleva dos puntos de extracción, a excepción del primero, que lleva solamente uno. Los ventiladores de reciclado descargan sobre un cambiador de calor formado por tubos de aletas, por las cuales circula el vapor. La corriente de aire pasa después por un conducto formando cámara de combustión del quemador, mezclándose con los productos de combustión de éste. Cada uno de los tres últimos compartimientos de la Rama está equipado de dos quemadores antorcha, colocados cada uno en la cámara de combustión por donde circula el aire de reciclado. La potencia total del equipo térmico de gas es de 360 termias (calculado en P.C.I.). Figura 9.25

Esquema de la Rama con indicación del sistema de calentamiento y

situación de los puntos de extracción

Cada quemador antorcha está alimentado con premezcla de aire y gas, producida en una máquina mezcladora. El quemador se enciende por un piloto alimentado igualmente con premezcla. Este piloto lleva un termopar de detección de llama que actúa sobre la válvula de mando electromagnético de la



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válvula neumática de seguridad del circuito del quemador (Figura 9.26). La válvula motorizada de regulación de mando electromagnético está accionada por un galvanómetro indicador y regulador de temperatura, conectado a un termopar situado en el conducto de aire, después del quemador que, por diferencia con una temperatura de consigna, permite la regulación en tres etapas: todo, progresivo y nada (paro de quemadores). Dicha válvula motorizada está situada en el circuito de aire del quemador, y la presión del aire detrás de dicha válvula actúa sobre una válvula neumática de regulación situada en el circuito de gas. El funcionamiento del quemador está supeditado al de los motores de los ventiladores de extracción y a la presión de alimentación de gas detectada por un manostato de máxima y mínima.

Figura 9.26 Esquema de alimentación de aire y gas de un quemador Rame

Aparte de la regulación de temperatura utilizada en el calentamiento mixto vapor y gas, la Rama está equipada de un sistema de regulación de la velocidad de paso del tejido, en función de la humedad residual a la salida, y que funciona incluso en el caso de calefacción sólo por vapor. El órgano detector es un psicómetro palpador que mide la resistividad eléctrica del tejido húmedo actuando sobre un motor de velocidad variable que permite una variación de paso entre 20 m/mm y 100 m/mm, con aceleración lenta y desaceleración rápida. El presecador colocado antes de la «Hot-Flue» permite bajar la humedad del tejido de 100 a 30 % y tiene una capacidad de evaporación de 180 kg de agua por hora. Completamente calentado por gas, el presecador está equipado con 56



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paneles radiantes. La transmisión de calor se efectúa en su mayor parte por radiación infrarroja, pero también en parte por convección del aire caliente y de los productos de combustión del gas. Estos últimos se evacuan mediante un ventilador de extracción. La velocidad de paso se regula en función de la de paso por la «Hot-Flue». La regulación de temperatura se hace por «todo o poco», en función de la medición de temperatura del aire caliente por termopar, que accíona una válvula de mando electromagnético sobre un by-pass de la alimentación en gas de los paneles radiantes. La llegada del gas está condicionada al funcionamiento del extractor. Los paneles se encienden por resistencias eléctricas y no llevan detector de llama.



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CAPITULO 10

GAS NATURAL EN SIDERURGIA

La Metalurgia es la ciencia y la técnica que permite la

extracción y procesamiento de minerales contenidos en la

naturaleza para la obtención y acondicionamiento de metales

para su empleo en diferentes usos en los diversos sectores

productivos.

Cuando se refieren a la obtención y procesamiento del Hierro

para producción de acero, se denomina Siderurgia.

En estas actividades industriales, el gas natural encuentra el

mayor número y la mayor diversificación de aplicaciones, en las

cuales se valoran al máximo sus cualidades específicas, debido

a la variedad y complejidad de operaciones de calentamiento y

procesos pirometalúrgicos que involucran diferentes aspectos

termodinámicos. Todos los problemas térmicos que se plantean

pueden justificar su empleo en forma individual y/o combinada

con otros combustibles y las propias reacciones exotérmicas de

los procesos.

10.1 GAS NATURAL EN HORNOS TUBULARES DE HIERRO ESPONJA



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El sistema de reducción directa fue desarrollado por HYLSA en México como resultado de la elevación de los precios de la chatarra, como consecuencia de la guerra de Corea. La denominación de Hierro Esponja se debe a la apariencia del hierro metálico producido por reducción directa del contenido de oxígeno del concentrado de mineral de hierro que se alimenta en forma de Pellets.

En el proceso del hierro esponja en hornos tubulares, la proporción de oxígeno

que se encuentra combinada químicamente con el hierro en el mineral se va

reduciendo paulatinamente gracias a la acción de una mezcla de hidrógeno

(H2) y monóxido de carbono (CO), que se inicia a 800° C. Ambas sustancias

toman átomos de oxígeno del mineral (se oxidan) para formar H2O y CO2. De

esta manera, el óxido de hierro del mineral, Fe2 O3, se convierte en Fe3 O4,

luego en FeO y finalmente en el elemento Fe (hierro metálico). Es decir, el

mineral de hierro se reduce (pierde oxígeno). El resultado es un hierro poroso,

esencialmente con la misma forma y tamaño que la partícula del mineral, que

es una magnífica carga para la elaboración de acero en un horno eléctrico,

pues está libre de impurezas metálicas, es fácil de manejar y transportar y

posee una composición química uniforme y precisa , además de que es muy

económica.

En los hornos tubulares rotativos se alimentan los pellets mezclados con carbón de granulometría relativamente gruesa, para determinar que en su avance por el horno, al llegar a la zona de reacción, con temperatura y atmósfera controlada, se produzca la oxidación parcial del carbón (combustión incompleta), generando CO que "arranca el oxígeno para completar su combustión al óxido de hierro", produciendo el hierro esponja.



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Figura 10.1

La reducción directa la efectúa el CO

CO que se desprende del carbón.

CO que se desprende del carbón

Al viajar juntos el carbón de tamaño grande (1―) y los pellets por el piso del horno, la presencia controlada de oxígeno determina la oxidación parcial del carbón formando CO que ―arranca‖ el oxígeno del mineral de hierro, manteniendo una temperatura de 900 °C para manejar una cinética adecuada de estas reacciones.

Para calentar el material en proceso y mantener la temperatura en la zona de

reacción se puede utilizar cualquier combustible, pero representa solamente

alrededor del 30% del combustible total utilizado.

Figura 10.2

Gas Natural: Aunque no pueda utilizarse como

reductor en el Horno siempre resulta una gran

ventaja su empleo como combustible en el

Horno de Hierro Esponja.



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La disponibilidad de gas natural siempre resulta ventajoso para cualquier planta industrial, pero para este tipo de proceso de reducción directa en hornos tubulares solamente puede reemplazar al carbón pulverizado o fuel oil utilizado como fuente de calor para mantener la temperatura de reacción que determina la curva de control que requiere el proceso a lo largo del horno, pero no sirve para proporcionar los elementos reductores en este tipo de horno. De acuerdo a los balances efectuados en hornos de este tipo, operando con carbón de molienda gruesa para la reducción directa y carbón pulverizado fino para aporte térmico en el quemador principal, la ventaja económica de la utilización del gas natural resulta rentable, pero solamente sustituye alrededor del 30 % del consumo energético total. Al efectuar la sustitución, mejoran notablemente las condiciones de control operativo, control de la atmósfera interna y disminuyen las emisiones de inquemados sólidos; inclusive mejora la calidad y disminuye el rechazo del producto.

La innovación tecnológica de incorporar carbón pulverizado en la conformación de nódulos podría representar una mejora significativa en la concepción general del proceso y sus rendimientos energéticos.



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10.2 Combustión de Gas Natural en Hornos de Arco Eléctrico

La elevada temperatura de fusión y la necesidad de disminuir los tiempos de colada justifican la utilización de hornos de arco eléctrico para producción de acero; sin embargo, las etapas de calentamiento pueden efectuarse con la energía generada por combustión; al efectuar esta experiencia con el propósito de optimizar costos de producción, descubrimos que algunos inconvenientes pueden convertirse en ventajas. 10.2.1 Energía eléctrica vs Combustión Para efectuar la comparación del costo de aplicación de energía eléctrica y la generada por combustión consideremos la equivalencia teórica : 1 Kw = 860 Kcal 1 MM BTU = 252.000 Kcal = 293 kw Tomando valores promedio a nivel latinoamericano: 1kw-h : 0.08 US$ = 23.4 US$/MM BTU Costo Gas Natural = 6 US$/MM BTU Costo Fuel Oil = 2 US$/ gln = 14 US$/ MMBTU



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Costo Carbón Mineral bituminoso = 120 US$/ TM = 4 US$/MM BTU. Desde el punto de vista económico aparece muy claramente la conveniencia de utolozar la energía del carbón y del gas natural; más adelante vamos a comprobar que ambos combustibles pueden utilizarse simultáneamente, introduciendo el carbón en la carga del horno para actuar como combustible y reductor; inyectando el gas natural para calentamiento d ela carga, aprovechando su facilidad de manejo, limpieza y apropiado control de suministro. 10.2.2 Calentamiento con Combustión Disponiendo de 2 Hornos de Arco Eléctrico que normalmente trabajaban en forma alternada por no disponer de suficiente capacidad de transformación en la sub-estación eléctrica, se incrementó la demanda de acero, plante+andose como necesidad para el incremento de producción necesario, la adquisición de un segundo transformador para trabajo simultáneo de ambos hornos. Efectuada la consulta al Grupo Combustión Industrial y después del correspondiente estudio técnico en planta, se recomendó alternar el calentamiento de los hornos con la inyección de combustible y aire al interior del horno, mediante lanzas refrigeradas con agua. Este sistema permitió efectuar el secado y elevar la temperatura del material hasta semi-fusión (1200°C); en este punto se conectaba el arco voltaico para completar el proceso de fusión hasta efectuar la colada; este sistema funcionó satisfactoriamente, pero el tiempo de colada se incremento de 90 a 120 minutos. Para compensar esta pérdida de producción se definió la posibilidad de enriquecer el aire de combustión con oxígeno, consiguiéndose disminuir hasta 80 minutos el tiempo de colada, al llegar a una enriquecimiento del aire del 5-6 % de oxígeno. El costo adicional del oxígeno resultó justificado por el diferencial de costos de calentamiento con combustible y la menor inversión en equipos de combustión, respecto al que representaba la adquisición de otro transformador. Adicionalmente, se logró disminuir el tiempo de colada y mejorar la calidad del proceso.



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10.2.3 La tecnología de ―puerta cerrada‖

Al efectuar la inyección de combustible en el horno de acero (gas natural y carbón mineral) para efectuar el precalentamiento, al llegar a la fusión parcial del material se presentaba la presencia de espuma, que rebalsaba el nivel del horno y representaba una molestia y un riesgo para el personal operativo. Al comienzo la espuma que llenaba el horno representó un grave problema que se llegó a controlar gradualmente con la dosificación de combustibles, aire y oxígeno, pero también se comenzaron a apreciar otros efectos positivos:

Disminuyó el ruido en la zona de operación de la planta de Acero

Disminuyó la temperatura del ambiente alrededor de los hornos en esta etapa del proceso, inmediatamente antes de poner en servicio los arcos eléctricos.

Se incrementó la producción, al disminuir en 10 minutos el tiempo de colada en cada horno.

Al encontrar la explicación en disminución de pérdida de calor y ruido al permanecer los hornos llenos de espuma, se tomó la decisión de mantener parcialmente la inyección de combustibles durante la etapa de operación con arcos eléctricos, lo que produjo dos efectos positivos adicionales:

Desapareció el problema que se ocasionaba al irse el arco a tierra, provocando pérdidas de energía y producción.

Disminuyó el tiempo de colada hasta 65 minutos por colada. La tecnología descubierta se afinó con la práctica y forma parte importante del proceso denominándose ―fusión en puerta cerrada‖ debido a las características comentadas y ha sido patentada por la Empresa y el Jefe de Acería.

Los descubrimientos “accidentales”

suelen ser los más importantes



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10.3 CALENTADORES DE CUCHARAS CON GAS NATURAL

El trabajo que se realiza con las cucharas en el circuito de producción de acero, resulta particularmente importante, porque constituye una interfase entre la fusión y el moldeo, donde se produce el afino del material, antes de transportarlo a la máquina de moldeo para convertirlo en palanquillas. Para recibir el acero fundido del horno eléctrico, las cucharas deben se previamente calentadas, para evitar el choque térmico que fractura el refractario y enfría el material fundido. Un calentamiento uniforme a alta temperatura, con adecuada penetración de calor, reduce el choque térmico y el desconchado del refractario y puede reducir la temperatura de colada del metal del horno eléctrico, ahorrando energía y disminuyendo el tiempo de colada.

La disponibilidad de gas natural resulta ideal para efectuar esta operación en forma limpia y eficiente.

En la inmensa mayoría de las acerías el calentamiento de las cucharas se hace mediante quemadores aire – gas natural. Sin embargo la evolución de los precios energéticos a lo largo de los últimos años y el creciente valor del CO2 debido al compromiso europeo en Kioto han hecho variar sustancialmente el equilibrio económico de esta operación, pasando a ser de interés en la actualidad la sustitución del aire por oxígeno porque, aunque el aire sea gratuito y el oxígeno tiene un precio que hay que pagar, el ahorro de combustible y el menor volumen de CO2 generado compensan el pago del oxígeno. En efecto, al utilizar oxígeno en lugar de aire se produce, para idéntica cantidad de calor aportado, un ahorro teórico de gas natural del orden del 65%. En la práctica hemos constatado ahorros ligeramente superiores al 50%.

La inversión necesaria para esta transformación consiste en: -. Quemador de oxígeno-gas natural. -. Equipo de control de gases, eléctrico y de seguridad.



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Figura 10.3

Calentamiento de

cucharas con gas natural

y Oxígeno

El tiempo de amortización de esta inversión es inferior a un año con los precios promedio actuales de gas, O2 y CO2. Además hay otros capítulos que deben ser también considerados:

Menor generación de dioxinas ( NOx )con oxígeno que con aire. Tema

éste que comienza a pesar crecientemente en las acerías.

No son necesarios ventiladores. Por tanto su consumo de kwh

debe también ser deducido.

Hay además otra ventaja adicional que reporta a la acería un beneficio

incomparablemente mayor que los hasta ahora citados en aquellas

acerías en las que se puede poner en práctica. Nos referimos a

la posibilidad de elevar la temperatura de calentamiento de cuchara.

Con quemadores que utilicen aire como comburente es muy difícil rebasar los

1.050 – 1.100ºC en la cuchara. A partir de este límite la temperatura de la

llama y la conductividad térmica del refractario comienzan a equilibrarse, de

modo que el calor aplicado se disipa por las paredes.

Lógicamente esta temperatura es función del espesor y calidad del

revestimiento de seguridad pero la experiencia demuestra que nunca se rebasa

este límite.



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No quiere esto decir que ésta sea la temperatura óptima. Al contrario, si la

cuchara fuese al horno con 1.250 – 1.280 ºC, cotas alcanzables

perfectamente usando oxígeno como comburente, se podría bajar

notablemente la temperatura de vuelco en el horno. En pruebas realizadas en

una acería se redujo unos 25ºC, pero son más habituales descensos de 6-8ºC

Aunque el precio de los Bonos de Carbono en el mercado internacional han

disminuido por la crisis económica europea, las ventajas operativas y

disminución del tiempo de coladas, resulta suficientemente beneficioso, como

para considerar que esta tecnología resultará aplicada en un futuro cercano, en

todas las plantas de acero que utilizan hornos de arco eléctrico.

12.4 Combustión en Hornos de Calentamiento de Metales

para Laminación En la mayoría de plantas de producción de acero en hornos eléctricos, la capacidad de producción de palanquillas en la etapa de colado del material fundido resulta mayor que el de laminación de acero, por lo que una parte de la producción se almacena a temperatura ambiente, perdiéndose el calor sensible contenido con el que son moldeadas.

Consecuentemente, para su posterior laminación, se debe disponer de un horno de calentamiento de palanquillas como el que se puede observar en la Figura 10.4 En la parte correspondiente a la descarga y alimentación al tren de laminación.

Figura 10.4

Descarga de palanquillas a temperatura de laminación



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El calentamiento de piezas para laminación puede presentarse con circunstancias muy variadas, pudiendo tratarse de ―tochos‖ pequeños que se calientan en un horno de reverbero con una ventana para introducir y extraerlos, como en una fragua, hasta grandes hornos de palanquillas de acero de sección cuadrada de 10 o más cm de diámetro y 2.40 m de longitud (Figura 12.5), que pueden avanzar dentro de un horno de empuje o ―saltar‖ en un horno de vigas galopantes, para progresar el interior del horno, hasta llegar a la temperatura de ablandamiento (1200°C).

Figura 10.5

Palanquillas de acero para laminación

Desde el punto de vista energético resultará siempre conveniente efectuar la laminación de palanquillas

inmediatamente después que se produce la colada, dirigiendo directamente las palanquillas a los trenes de laminación para evitar pérdidas de calor, el enfriamiento del material por debajo de su nivel de laminación y evitar que el material caliente se oxide formando cascarilla, al estar en contacto directo con el oxígeno del aire. Al exceder normalmente la capacidad de colado a la capacidad de laminación, resultará necesario considerar la ubicación en la línea de producción, una zona de almacenamiento y un Horno de Calentamiento de Palanquillas (Figura 12.6) para calentar las palanquillas frías

hasta la temperatura necesaria. Figura 10.6

Horno de Vigas Galopantes Estos hornos reciben las palanquillas por la zona de carguío y lo

descargan caliente por el lado opuesto. Se instalan quemadores a los costados del horno que proporcionan el calor, transcurriendo las palanquillas a través del horno por empuje, con lo cual permanecen juntos, lo que perjudica su calentamiento por radiación, por lo cual se utilizan los sistemas llamados de vigas galopantes que levantan las palanquillas y las depositan unos centímetros más adelante, permitiendo que exista un espacio entre palanquillas que favorezca la transferencia de calor por radiación y convección.



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En el interior del horno se determinan zonas de pre-calentamiento, calentamiento y estabilización, para que al abandonar las palanquillas el horno, puedan introducirse directamente en los trenes de laminación. Resulta de la mayor importancia reconocer que el prodso de transferencia de calor dominante siempre es el que resulta más lento; en este caso, la igualación de la temperatura del interior de la masa de la palanquilla, que se produce por conducción. 10.4.1 Atmósfera Interna de los Hornos Hasta hace algunos años se encontraban en las plantas de acero chimeneas que botaban gran cantidad de humo, bajo el pretexto de que tenían que mantener atmósfera reductora en el horno para evitar que se oxiden las palanquillas que se calentaban para laminación, lo que resultaba absurdo, ya que al analizar gases en las chimeneas se encontraba, además de inquemados (hollín), también oxígeno producto de trabajar con exceso de aire, demostrando que las pérdidas no solamente eran de poder calorífico del combustible que se aprovechaba, sino además exceso de aire que oxidaba las palanquillas y producían pérdidas por ineficiencia de calentamiento. La combustión en este tipo de hornos se debe efectuar en forma hermética, manteniendo una presión ligeramente positiva para evitar el ingreso de aire falso (soplando) y manteniendo la condición de atmósfera reductora en niveles de control en partes por millón de Monóxido de carbono (CO) que es invisible, por lo cual las chimeneas deben permanecer totalmente limpias. 10.4.2 Transferencia de calor El diseño de los hornos se orienta principalmente a la trasferencia de calor por radiación desde las llamas a las palanquillas, por convección a través del contacto entre la masa circulante de gases de combustión caliente y las palanquillas y finalmente por conducción, desde la superficie de las palanquillas hasta el interior de las palanquillas, en la etapa que se denomina ―igualación‖, ya que todo el material debe estar a la temperatura de laminación, para evitar problemas en los trenes y graves interrupciones del proceso de laminación. Resultando difícil conseguir un calentamiento rápido, debido a que el proceso dominante termina siendo el más lento, la conducción, los gases salen demasiado calientes, por lo que se justifica la instalación de recuperadores de calor por radiación y convectivos, compensando la menor densidad del aire con mayor intensidad de mezcla en los quemadores.



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Figura 12.7

Transferencia de Calor

El Calor por radiación vuela, por convección fluye y por conducción camina

12.4.3 Recuperación de calor En este tipo de hornos pueden utilizarse petróleo residual, aunque resulte

complicado formar llamas cortas y completar la combustión, siendo favorable el tener una

mayor emisividad de llama. Siempre resultará una gran ventaja disponer de gas natural con toda su

limpieza y eficiencia, no resultando grave la deficiencia de emisividad de llama, por que la exigencia de atmósfera reductora obliga a mantener bajo el exceso de aire, provocando cierta demora en la combustión que produce una llama más emisiva.

Sin embargo, debe recordarse que el proceso dominante de transferencia de calor es la conducción en la etapa de igualación, por lo cual la emisividad de llama no resultará un factor decisivo. En consecuencia, la temperatura de los gases de chimenea resultará miy elevada, justificando siempre la instalación de un recuperador de calor como el que se presenta en la Figura 10.8 . Cuando se

instala.en un horno que originalmente no ha sido previsto para trabajar con aire precalentado, debe verificarse que lo quemadores puedan soportar esta mayor exigencia térmica.



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Figura 10.8 Recuperadores de calor aire-gas por radiación y convección

10.5 EL GAS NATURAL COMO INSUMO Y COMBUSTIBLE: GAS DE SÍNTESIS El procesamiento del gas natural mediante reformación catalítica permite

disponer de Hidrógeno y Monóxido de Carbono para ser utilizados como reductores del Hierro para producción del Hierro Esponja en Hornos Verticales. Aunque el alto costo de la producción del Gas de Síntesis todavía exige disponer de gas natural a un precio muy bajo, las ventajas de eficiencia y limpieza que establecen resultan cada día más importantes para resultar el proceso más conveniente (Figura 10.9).

Figura 10.9

EL GAS NATURAL COMO INSUMOEL GAS NATURAL COMO INSUMOPRODUCCION DE HIERRO ESPONJAPRODUCCION DE HIERRO ESPONJA

GG

AA

SS

NN

AA

TT

UU

RR

AA

LL

CHCH44 + H+ H22O 3HO 3H22 + CO+ CO

REFORMACIONREFORMACIONLA CONVERSION DEL CH4 EN GAS DE SINTESIS

SE LOGRA REFORMANDOLO CON VAPOR

UTILIZANDO UN CATALIZADOR.

EL GAS DE SINTESIS ES UN FUERTE REDUCTOR

DEL HIERRO.

FeFe22 OO33 + 3H+ 3H22 2Fe + 3H2Fe + 3H22OO

FeFe22 OO33 + 3CO 2Fe + 3CO+ 3CO 2Fe + 3CO22

REDUCCIONREDUCCIONEL GAS DE SINTESIS (H2 Y CO)

EN CONTRACORRIENTE A LA

CAIDA DEL MINERAL (Fe2O3)

ORIGINA LA LIBERACION DEL

OXIGENO (REDUCCION)

H

I

E

R

R

O

E

S

P

O

N

J

A

REFORMADOR CALENTADOR930°C

Fe2O3MINERAL

DE

HIERRO



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La reacción química se desarrolla en la siguiente forma:

Con el fin de producir más hidrógeno a partir de esta mezcla, se añade más vapor y así se produce el desplazamiento de la reacción del gas de agua:

El hidrógeno debe separarse del CO2 para poder usarlo. Esto se realiza principalmente por adsorción por oscilación de presión (PSA), limpieza de las aminas producidas y el empleo de reactores de membrana.

En la Figura 10.10 se muestra una instalación completa para producción de Gas de Síntesis a partir del Gas Natural y su alimentación al Horno Vertical de Reducción Directa del Hierro para producción del Hierro Esponja.

El inconveniente que presenta este sistema es la peligrosidad del Gas de Síntesis, debido a la inestabilidad de sus componentes, CO y H2, altamente inflamables y/o explosivos en presencia de oxígeno, resutando indispensable mantener una atmósfera totalmente inerte.



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Aunque este sistema se ha impuesto por diversas ventajas al de reducción en hornos tubulares, consideramos que la simplificación de la combustión que proporciona la Teoría Inorgánica de la Combustión abre un inmenso campo de investigación aplicada con interesantes perspectivas de desarrollar sistemas de reducción más simples, económicos y eficientes.



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CAPITULO 11

Gas Natural en

Hornos de Cal y Cemento 11.1 CALCINACIÓN Y CLINKERIZACIÓN El proceso de fabricación de cal (CaO) consiste básicamente en la reacción de carbonatación o liberación del CO2 de la molécula de carbonato de calcio (CO3Ca) por efecto del calentamiento. CO3Ca + Calor CaO + CO2 Esta reacción es fuertemente endotérmica y se desarrolla en la forma que se muestra en la Figura 11.1



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El tiempo de reacción dependerá de los siguientes factores:

Tamaño de la partícula o piedra caliza.

Condiciones de transferencia de calor

Presión parcial del CO2 en el reactor. La calcinación o producción de cal forma parte del proceso de fabricación de clinker, base de la producción del cemento. En el horno cementero, a diferencia del horno de cal, en el cual se producen solamente óxido de calcio, se producen en forma planificada 4 óxidos: CaO(C), SiO2(S), Al2O3(A) y C4AF(F).

Figura 11.1

Esquema de formación de CaO por descarbonatación del CaCO3

A partir de estos 4 óxidos, en el interior del horno rotatorio se producen las reacciones de clinkerización que se pueden graficar en la forma que se muestra en la Figura 11.2.



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Figura 11.2

Esquema de formación de óxidos en la producción de cemento

Los 4 Compuestos mineralógicos producidos proporcionan las características diferenciales del clínker y los cementos finales producidos en la molienda final, agregándole el yeso que actúa como retardador de fraguado y las adiciones de los cementos especiales. El desarrollo del proceso ha evolucionado desde la instalación del primer horno cementero, hasta constituir el moderno sistema de producción de clínker que se muestra en la Figura 11.3

Figura 11.3

Sistema Precalentador

– Horno – Enfriador

En el Horno Rotatorio, sea cual fuere la forma en que se desarrollen las operaciones previas del



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proceso, siempre se producen las etapas de transición, nodulización, clinkerización y enfriamiento, dependiendo su conformación de las características de la llama, resultado de la forma en que se desarrolla la reacción de combustión, resultando siempre conveniente una llama lo mas corta y caliente que resulte posible, sin afectar la estabilidad del revestimiento (costra) y refractario. En este sentido la formación de llama cónica hueca resulta un objetivo obligatorio. Ver (Figura 11.4)

Figura 11.4

Esquema de la llama cónica hueca

11.2 EL GAS NATURAL EN HORNOS DE CAL Los hornos de cal utilizados en la práctica industrial podemos clasificarlos en Horizontales y Verticales. Los Horizontales o Rotatorios se justifican para producciones considerables y resultan obligatorios cuando la caliza utilizada como materia prima decrepita al descarbonatar. Considerando que un tubo resulta un pésimo intercambiador de calor por convección , no ofrece buenas perspectivas de eficiencia energética, aún con instalación de levantadores y dispositivos que favorezcan el calentamiento, por lo que han sido desplazados por diseños modernos de hornos verticales más eficiente y para mayores capacidades. La incorporación de gas natural en hornos tubulares, resultando inconveniente para la transferencia de calor por radiación, no la consideramos conveniente en este tipo de hornos, limitando su enfoque a hornos verticales.



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Los Hornos Verticales tradicionales han sido inicialmente de tipo artesanal, pero la tecnología los ha transformado gradualmente hasta llegar a niveles de diseño y funcionamiento de gran eficiencia en los hornos de doble cuba regenerativos (Figura 11.5).

Figura 11.5 Horno de Cal de Doble Cuba Regenerativo MAERZ



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11.2.1 Gas Natural en hornos pequeños artesanales Aprovechando la facilidad de producir cal a partir del calentamiento de piedra caliza, en todo el mundo se han desarrollado diferentes modelos de hornos artesanales que son agujeros que se hacen en el piso al borde de un cerro en zonas más elevadas, con el soporte lateral de un muro de concreto; desembocan en una boca de descarga desde donde extraen la cal producida, jalando las piedras calcinadas que se fraccionan, pasando entre los tubos que se colocan para retener la carga, los cuales se pueden mover para dejar pasar piedras más grandes o más duras (Figura 11.6)-.

La única fuente de calor es carbón de calidad variable que se coloca en capas alternadas con piedras de caliza de tamaño variable entre 1 y 5 pulgadas. Para evitar la segregación del carbón , más o menos fino, lo aglomeran humectándolo con agua que posteriormente se vaporiza con el calor generado por la combustión. Con la práctica y los años han logrado desarrollar una tecnología artesanal muy interesante, porque logran calcinar la piedra en forma más o menos pareja. En las siguientes vistas se observa el sistema actual de carguío del horno, colocando con una carretilla las piedras de caliza y luego el carbón humectado. Se puede apreciar la exposición del personal a los gases que emergen del horno, con inquemados, polvo de caliza y vapor (Figura 11.7).

Figura 11.6



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En la Figura 11.8 se puede observar como queda el horno al terminar el carguío y comenzar a quemar el carbón en el interior. Cada día se efectúa el jalado de cal por la boca de descarga y se repone el nivel que desciende el nivel de llenado del horno, con las capas alternadas de caliza y carbón humectado, consiguiendo una operación semi-continua; al día siguiente, a primera hora, se vuelve a jalar cal y se vuelve a tapar el horno.

El análisis de la tecnología actual nos permite rescatar importantes factores productivos que seguramente han demandado mucho tiempo y por cierto, también mucho ingenio para constituir una forma tecnológica artesanal con indudables méritos, entre los cuales queremos destacar los siguientes:

Las paredes del Horno se han conformado con las llamadas ―piedras de fuego‖ y una argamaza constituída con la propia cal producida y un material arcilloso, logrando un efecto refractario y resistente a la abrasión que permite estructurar la forma adecuada del horno, para permitir el desplazamiento vertical del material, sin impedimentos ni aglomeraciones.

Figura 11.8

Figura 11.7



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Para el aporte térmico mediante carbón muy variable y principalmente conformado por finos, han desarrollado una tecnología de aplicación que consiste en humectarlo con agua, formando un lodo que permite aglomerarlo en capas que se alternan con las piedras escogidas de caliza de variados orígenes, pero principalmente canto rodado de la zona y travertino de canteras más lejanas. Cuando el calor del horno comienza a evaporar el agua, el lodo de carbón se convierte en aglomeraciones porosas que permiten la ―respiración‖ del horno con disponibilidad de oxígeno para que se complete la combustión.

El sistema de ―jalado‖ de piedra calcinada en la boca de descarga, también resulta igualmente ingenioso para permitir extraer el producto. Se ubican tubos en forma transversal a través de los cuales la cal producida se va descargando; para facilitar esta tarea, cuando resulta complicado deshacer las piedras de cal, el movimiento lateral de los tubos permite su remoción; la habilidad de los operarios efectuando esta tarea resulta verdaderamente impresionante.

La experiencia y habilidad del personal para efectuar el escogido de piedra caliza y piedra de fuego, así como la cal de las cenizas e impurezas en el producto, resulta impresionante, constituyendo valiosa tecnología que debe aprovecharse en lugar de reemplazarse.

La disposición de gas natural en este tipo de hornos artesanales puede permitir conseguir significativas mejoras de producción, rendimiento y preservación ambiental. En este tipo específico de hornos, podemos plantear, a modo de ejemplo, las modificaciones que permitirían conseguir tales objetivos:

Crear tiro para extracción de los gases quemados y descarbonatados, para favorecer la reacción y eliminar la contaminación en la parte de carga del horno.

Para cumplir este objetivo resultará necesario recolectar los gases de salida en una campana (cono) que los encauce a través de una chimenea. Para poder seguir efectuando la operación de carguío del horno, se proveerá puertas (3) de abertura lateral que permitan la introducción de las carretillas hacia el interior del cono.

Aumentar la intensidad térmica incorporando la combustión de gas natural en la arte inferior del horno

La facilidad de combustión del gas natural permite ubicar una parrilla de gas en la parte inferior. Inicialmente puede mantenerse el sistema de capas de carbón, pudiendo sustituirse totalmente por el gas natural.



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En la Figura 11.9 se muestra la forma en quedaría conformado el horno

modificado. Las pruebas efectuadas implementando estas mejoras han permitido triplicar la producción y mejorar la calidad del producto

Figura 11.9 Horno Prototipo Modificado

En la Figura 11.10 se presenta el tipo de quemador de gas natura que se ha utilizado. Al

concluir la operación de calcinación , el quemador uede ser retirado para proceder al

“jalado” de la cal producida.

Figura 11.10

Quemador de gas natural tipo parrilla



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11.2.2 Gas natural en Hornos Verticales con Plano inclinado Para favorecer la utilización de combustibles líquidos en hornos verticales surgen los diseños de Hornos con Planos Inclinados que permiten ubicar llamas que aportan el calor para el proceso, como los que se aprecian en la Figura 11.11.

Figura 11.11.

Hornos Verticales de Cal El horno consiste en una columna de altura considerable que se carga con piedra caliza de tamaño suficiente para que permita el paso de los gases circulantes. En la parte

inferior, se dispone de una parrilla giratoria que mediante la ubicación de venas orientadas excéntricamente o perforaciones coincidentes, descarga la cal producida, determinando la progresión del material por gravedad en sentido descendente. La ubicación de un plano inclinado creado por la expansión del diámetro del horno y el talud de la piedra, permite disponer del espacio para ubicar quemadores de combustibles líquidos que aportan el calor requerido para el proceso. En la Figura 11.12 se muestra el perfil del horno y la velocidad de avance del

material en función del giro de la parrilla, lo que determina el tiempo de residencia del

material en pre calentamiento, la zoma de reacción. Enfriamiento y descarga. En la

parte recta superior, la piedra se precalienta con los gases de combustión y al llegar a la zona expandida reciben el calor suficiente para llegar a la temperatura de descarbonatación, convirtiéndose la piedra en cal, rápidamente en la superficie y muy lentamente hacia el interior.

Figura 11.12 La incorporación de gas natural en este tipo de hornos permite favorecer considerablemente la distribución de calor y



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homogenización térmica del horno, incorporando al quemador principal (Figura.11.13), lanzas de inyección de gas natural que introduzcan este

combustible en zonas con disponibilidad de oxígeno proveniente del aire que se introduce a través d ela parrilla de descarga y permite recuperar calor del producto caliente. La forma de inyección, diseño de las lanzas y ubicación de zonas de combustión deberán ser establecidas para cada pc aso particular, siendo una buena referencia los hornos de doble cuba regenerativa.

Figura 11.14

Se produce una significativa mejora en estos hornos con un detalle que parece muy simple, pero resulta muy significativo y demuestra lo importante que es la combustión, pero al mismo tiempo, lo simple que puede resultar modificarla y mejorarla. La producción y factor de marcha de estos hornos mejora considerablemente por el efecto de modificar la ubicación de la llama horizontal en el espacio que se forma y resulta idónea para este propósito, inclinando el quemador 30°, evitando que el levantamiento de la llama por convección natural (la llama se cae para arriba) dañe el refractario y limite la disponibilidad de calor donde más se necesita. En estos hornos se consigue operación continua, instalando parrillas rotativas para la descarga del producto, introduciendo aire de enfriamiento que permite recuperar calor y conducirlo hacia la zona de reacción, permitiendo alcanzar consumos específicos de alrededor de 1200 Kcal/Kg, los cuales disminuyen significativamente al disponer de gas natural para desarrollar la combustión en varios frentes, inyectando gas que se quemará con oxígeno del aire de enfriamiento, en la zona de reacción.

Figura 11.15

Un detalle de gran importancia para el horno



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11.2.3 HORNOS DE DOBLE CUBA REGENERATIVOS

El desarrollo tecnológico en este campo alcanza su máxima expresión actual con el tipo de Hornos de doble cuba regenerativos Maerz (Figura 11.16), que consigue excelentes rendimientos, instalando un diseño que considera el trabajo de 2 hornos de cuba que trabajan en forma alternativa, produciéndose la combustión en uno mientras que sus gases de combustión precalientan el material en el otro, alternando automáticamente esta función cada 6 o 7 minutos. El combustible se inyecta por lanzas verticales desde el techo, directamente en la zona de reacción; por supuesto que el gas natural resulta el combustible ideal, pero también utilizan comestibles líquidos bien atomizador, e incluso carbón mineral pulverizado.

Figura 11.16

Horno de Doble Cuba Regenerativo y Sistema de Inyección de Combustible

La ventaja operativa del concepto de diseño del horno de doble cuba se manifiesta en la alternación de las operaciones de combustión y calentamiento en cada cuba, las cuales se invierten cada 5 a 7 minutos, permitiendo un eficiente control de la temperatura máxima de operación en niveles apropiados para mantener la calidad y reactividad de la cal produzca, como puede observarse en la Figura 11.17 En los hornos verticales de plano inclinado, para poder llegar calcinar el corazón dela piedra, se debe alcanzar hasta 1450 °C en la temperatura exterior, lo que produce en la parte exterior de la piedra una clinkerización y cristalización del CaO formado, afectando su reactividad en el momento de la hidratación. La importancia de este control radica en que se logra mantener temperaturas moderadas, alternando el aporte térmico, antes de que exceda los niveles recomendados.



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Figura 11.17

Curvas comparativas de operación

En estos hornos resulta importante el sistema de descarga que se muestra en la Figura 11.18, el cual permite controlar la descarga del producto, después de intercambiar calor con el aire frío que ingresa por la parte inferior, mediante un mecanismo giratorio que presenta un vacío el material que cae a una tolva, desde donde se descarga a un camión o sistema de transporte. El tamaño de piedra utilizado es una de las limitantes de estos sistemas, lo que eleva el costo de materias primas, resultando conveniente que se combine con otros sistemas productivos que aprovechen los finos, tales como fabricación de ladrillos sílico - calcáreos, producción de cal en otros sistemas que admitan más finos, aunque no consigan los mismos niveles de eficiencia, o su integración a la materia proma de un horno cementero.

Figura 11.18

Sistema de descarga de Cal del Horno

Maerz de doble cuba regenerativo.

11.3 APLICACIÓN DEL FLASH CALCINER PARA PRODUCCIÓN INSTANTÁNEA DE CAL



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La producción de cal constituye un proceso muy simple, ya que solamente consiste en calentar la piedra caliza hasta la temperatura de disociación del carbonato cálcico:

Caliza (CO3Ca) + Calor = Cal Viva (CaO) + CO

2

Sin embargo, la producción de cal resulta siempre complicada :

En los hornos rotatorios los rendimientos y calidad de la cal producida son deficientes, debido a que constituye un pésimo intercambiador de calor.

En los hornos verticales debe mantenerse un tamaño de piedra adecuado para que circulen el aire y los gases de combustión a través de la cama de piedra, lo que representa limitarse a la velocidad de reacción por difusión térmica del calentamiento de la piedra por conducción y la difusión de gases de descarbonatación del interior de la piedra al medio.

Las investigaciones desarrolladas por el ILC en Hornos cementeros han permitido concebir y comprobar que la tecnología de la precalcinación resulta aplicable a la producción de cal, prescindiendo de todo el horno y manteniendo la etapa previa que se realiza en el Precalentador (Figura 11.19).

Figura 11.19

El horno cementero hasta el calcinador, es simplemente un horno de producción de cal

La frase utilizada en este libro : ―el horno cementero, hasta la mitad del horno rotativo o la cámara de precalcinación, es un horno de cal, resulta



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literalmente cierta; la diferencia consiste en que en el horno cementero se dosifica materias primas que aportan 4 óxidos (Calcio, Sílice, Alúmina y Fierro) que reaccionarán a mayores temperaturas para formar los compuestos complejos que conforman el clínker: C4 AF, C3A, SiO2 y SiO3. Tomamos literalmente esta frase y tenemos nuestro horno de cal, adoptando el maravilloso proceso de precalcinación para producción de cal. Prescindiendo de las otras materias primas que aportan los otros óxidos y dosificando al precalentador solamente Caliza finamente pulverizada, podremos obtener directamente Cal Viva en la descarga del precalcinador, lo que representa eliminar el horno rotativo y recibir la cal producida directamente en la descarga del precalentador.

Estudiando los numerosos diseños de precalcinadores hemos seleccionado el ―flash calciner‖ desarrollado por Ishikawashima Harima Heavy (IHH) y adoptado por Fuller, como el más adecuado para calcinar el polvo de caliza sin mayores inconvenientes, ya que en el horno cementero el principal problema consiste en que se produzca la clinkerización, debido a la presencia de aluminio y fierro que forman fase líquida. El principio del flash calciner, aplicado a la calcinación de polvo en suspensión de gases consiste en efectuar en el reactor la formación de llama mediante 3 inyectores de combustible que con el aire correspondiente forman una llama en forma de vórtice ascendente. La inyección en puntos estratégicos de polvo de caliza ( 2 o 3) previamente precalentado, permite mantener el polvo de caliza en suspensión, en el interior de la llama, provocando una simbiosis perfecta entre la reacción de combustión que libera calor y la descarbonatación que se lo ―traga‖ instantáneamente, por ser altamente endotérmica (Figura 11.20).

Figura 11.20

Flash Calciner ILC para

Calcinación instantánea



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La disponibilidad de Cal Viva pulverizada mediante este sistema tendrá muchas ventajas respecto a los otros sistemas de hornos de cal:

La calcinación del polvo de Caliza en suspensión de gases permite un control perfecto de la homogeneidad de calidad de la Cal Viva producida.

El desarrollo de la calcinación en unos pocos segundos evita la formación de cristales de CaO, presentando el producto la máxima reactividad posible.

La producción de Cal Viva pulverizada facilita el proceso de apagado y la utilización de la cal en todas sus formas de empleo.

El procesamiento de cal molida en equipos como el Molino de Rodillos que se muestra en la Figura 11.21 representa la posibilidad de utilizar toda la caliza explotada en canteras.

Figura 11.21

Molinos de rodillos para Caliza

La producción de cal pulverizada plantea el desafío de desarrollar un modelo de recuperación de calor, probablemente indirecta, que permita recircular parte del calor que abandona el horno con el producto; sin embargo, analizando el correspondiente Diagrama de Sankey, las pérdidas térmicas por este concepto son mínimas, resultando más importante el enfriamiento, como un procedimiento necesario para congelar la calidad de cal producida.



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11.4 GAS NATURAL EN EL HORNO CEMENTERO

Muchos hornos cementeros queman gas natural, pero tenemos la impresión de que todos lo hacen en forma inadecuada, desaprovechando las inmensas posibilidades técnicas que permiten sus características y posibilidades de empleo, por desconocer la forma de compensar con tecnología apropiada, la principal, y quizás única, desventaja del gas natural como combustible industrial: su menor emisividad de llama, respecto a las de combustibles sólidos y líquidos. En este punto despejamos todas las dudas en este campo, demostrando que el gas natural también representa una bendición del cielo para los hornos cementeros, si se utiliza la tecnología correcta, con los criterios de aplicación adecuados.

Tomando en consideración que el mayor volumen de gases producidos por unidad energética al quemar gas natural respecto a combustibles sólidos y líquidos representa una menor temperatura adiabática de alrededor de 100°C y que las partículas de coque producto de la disociación del gas natural resultan 100 veces más pequeñas que las provenientes de petróleo y carbón, la transferencia de calor por radiación a partir de llamas de gas natural resulta considerablemente menos intensa que las excelentes condiciones que se logran con las llamas de petróleo y carbón, a las elevadas temperaturas que se manejan en el Horno Cementero.

En los Hornos Cementeros modernos, sin embargo, el 60% del calor total se aporta en las cámaras de precalcinación, para suministrar el mayor requerimiento de calor que representa la descarbonatación; la diferencia radical que existe entre el Horno y el Precalcinador como reactores de combustión, también exigen un tratamiento totalmente diferente cuando se trata de quemar gas natural.



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11.4.1 Gas Natural en Hornos Verticales de Cemento Los hornos verticales de cemento son similares en cuanto a diseño y concepción funcional a los hornos verticales de cal, pero confrontan una dificultad notable en cuanto a su funcionamiento, porque a diferencia de la calcinación que es un proceso muy simple como reacción química, la clinkerización requiere mayores temperaturas, formación de fase líquida y reacciones químicas complejas con formación de compuestos mineralógicos relativamente complicados. Aunque tales dificultades se reflejan principalmente en la calidad heterogénea del clinker producido, los hornos verticales de cemento representan una posibilidad importante para mercados localizados en áreas restringidas. Como referencia, podemos mencionar que en China se instalaron más de 10 mil hornos de este tipo que representaron verdaderos núcleos de desarrollo local, con importantes objetivos de desarrollo socio - economico a los largo ancho de todo su territorio. Generalmente se operan, con dificultades adicionales, utilizando carbón mineral como combustible que se alimenta mezclado con las piedras de caliza, pizarra y mineral de hierro. La disponibilidad de gas natural, con su limpieza, facilidad de inyección y combustión, representa una inmensa posibilidad de optimización técnica, económica y ecológica.

Figura 11.22

El gas natural representa un aporte formidable para hornos verticales

La disponibilidad de modernos sistemas de control operativo ha permitido modernizar los diseños de estos hornos, utilizados antes de aparecer el horno rotatorio, pero su utilización no resulta competitivo con hornos rotativos, por resultar muy complicado manejar la presencia de fase líquida en este tipo de reactores.



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11.4.2 Combustión de Gas Natural en el Horno Rotativo

El Horno Cementero constituye un reactor ideal de combustión por varias razones:

La alta temperatura requerida para mantener las condiciones de fusión parcial del material en proceso ( >1350°C) exigen altas temperaturas de llama (1700-1800°C), todo lo que favorece la cinética química de la reacción de combustión.

La exigencia de protección de la chapa metálica obliga a mantener el forro refractario básico con formación de costra protectora del propio clínker sobre el mismo, con relativamente menor coeficiente de transferencia de calor (superficie porosa) y alto nivel de emisividad.

Las reacciones de clinkerización que se desarrollan en la zona crítica son exotérmicas.

El Horno cementero . reactor ideal de combustión pero un pésimo intercambiador de calor por convección

En tales circunstancias puede quemarse cualquier combustible difícil de quemar, lo que convierte al horno cementero en el incinerador ecológico ideal, pero al confrontar la situación antagónica, quemar el combustible más fácil de quemar, la velocidad de reacción es tan rápida que la presencia de partículas de coque en estado incandescente resulta fugaz. Siendo estas partículas las que producen la imagen, coloración y emisividad que caracterizan las llamas que observamos cuando quemamos combustibles



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sólidos y líquidos, las condiciones que determinan la cantidad de calor transferido por radiación, temperatura y emisividad, resultarán menos favorecidas quemando gas natural. En Calderos y otros tipos de hornos la temperatura de llama no marca una diferencia en este aspecto, porque generalmente se utiliza mayores niveles de exceso de aire para quemar carbón (30%) y petróleos residuales (20%) y se alcanzan similares temperaturas de llama al utilizar un 10% de exceso de aire con gas natural. En el Horno Cementero, reactor ideal de combustión, resulta posible conseguir combustión completa con cualquier combustible y bajos niveles de exceso de aire, por lo cual tal compensación desaparece. Este constituye un factor clave para determinar que no se puedan mantener condiciones satisfactorias de producción y eficiencia en un horno cementero, quemando exclusivamente gas natural en el quemador principal; así lo hemos comprobado en numerosas experiencias en varios pases latinoamericanos. Una de estas experiencias nos permitió también comprobar que tal deficiencia del gas natural en las condiciones operativas del horno, representan una excelente oportunidad de combinar las características de combustión del gas natural y las de combustibles que en el otro extremo, resultan muy difíciles de quemar por no disponer de suficientes volátiles para acelerar su combustión, como en el caso de pet coke, carbones minerales tipo Antracita, o petróleos residuales con altas composiciones de compuestos aromáticos y asfálticos, tales como Residual de Vacío o Asfalto. La alternativa de utilizar el gas natural como flujo aportante de energía cinética, eliminando totalmente el aire primario frío y utilizando como aire de combustión el 100% de aire secundario a un promedio de 800 °C , tomando en cuenta hornos de vía seca y húmeda, representa una ventaja que entienden muy bien los fabricantes de cemento y los proveedores de quemadores.

11.4.3 Combustión en el Precalcinador El Precalcinador podría caracterizarse como un reactor de descarbonatación, y al contrario del Horno, resulta un pésimo reactor de combustión por las siguientes razones:

En el Precalcinador se produce el 95% de la reacción de descarbonatación que resulta fuertemente endotérmica (650 Kcal/Kg), por lo cual constituye un reactor frío.

Los niveles de temperatura requeridos para la precalcinación son muy inferiores a los del Horno, resultando suficiente 1000°C para completar la descarbonatación, lo cual resulta cinéticamente muy lento para la combustión.



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La condición de suspensión de las partículas de crudo en el interior de la llama determina condiciones de extrema dificultad para transferir calor y favorecer la cinética de la reacción de combustión, por lo cual resulta muy difícil completar la combustión con combustibles tradicionales.

Para las exigencias que debe cumplirse en el precalcinador, el gas natural

resulta el combustible ideal, permitiendo asegurar un control eficiente sobre la precalcinación, sin formación de fase líquida que produce pegaduras y riesgos de atoros en la parte final del precalentador.

Figura 11.23

Precalentador con Precalcinador, conjunto

indispensable en los Hornos Cementeros

modernos de cualquier capacidad.

11.4.4 Conveniencia de empleo del gas natural en el Horno cementero Para plantear en forma adecuada la utilización del gas natural en hornos cementeros, aprovechando sus ventajas y compensando sus desventajas, debemos considerar los siguientes puntos:

La menor emisividad de llamas de gas natural resulta un factor determinante para establecer que no se puede mantener los niveles de producción de clínker y condiciones térmicas de la zona crítica, al sustituir combustibles sólidos o líquidos por gas natural, por disminuir la transferencia de calor por radiación.

Esta desventaja del gas natural se convierte en una posibilidad extraordinaria de optimización de costos, disponiendo de un quemador con el diseño adecuado para combinar el gas natural con combustibles muy difíciles de quemar y consecuente bajo precio, con altos niveles de emisividad pero con bajo contenido de volátiles.



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La posibilidad de utilizar el gas natural como flujo dominante y aportante de energía cinética para formación de llama, permitirá utilizar quemadores sin aire primario, con la ventaja térmica de utilizar el 100% de aire secundario caliente para la combustión y ahorrar íntegramente la energía eléctrica del soplador o ventilador.

Las condiciones térmicas en el precalcinador determinan que constituya un pésimo reactor de combustión , resultando muy difícil completar la combustión utilizando combustibles sólidos y líquidos; la facilidad de inyección, limpieza y velocidad de combustión del gas natural y la mayor proporción de transferencia de calor por conversión, lo convierten en el combustible ideal para esta etapa del proceso.

Para Hornos antiguos sin precalcinador, el gas natural representa una posibilidad inmejorable para mejorar los niveles de producción y eficiencia, instalando quemadores en el precalentador o disminuyendo los niveles de inversión para incorporar una cámara de precalcinación en el sistema de producción de clínker.

La disponibilidad de gas natural representa una ventaja formidable para cualquier fábrica de cemento del mundo, aplicando la tecnología correcta y los criterios adecuados.

11.4.5 APLICACIÓN INDUSTRIAL: QUEMADORES SIN AIRE PRIMARIO Los fabricantes de quemadores han competido en desarrollar diseños que utilicen para su funcionamiento el mínimo de aire primario, con el propósito de favorecer la mayor recuperación de calor aumentando la proporción de aire secundario caliente para aportar el oxígeno requerido por la combustión. Los quemadores unicanal utilizados con circuitos de molienda directa utilizaban alrededor de 35% de aire primario, en el cual se incorporaba el vapor extraído en el secado. Al instalar circuitos de molienda indirecta y desarrollar quemadores multicanal, se disminuye el aire primario a valores entre 12 y 14%. Los quemadores Swirlax de FLS y la tobera de 3 circuitos de Pillard son los más utilizados en esta etapa. Pillard sustituye la regulación de flujos con válvula tipo mariposa por un diseño que permite hacerlo con el desplazamiento longitudinal de los tubos



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concéntricos en el quemador ROTAFLAM. El ahorro de energía cinética que consigue permite la adecuada formación de llama con un 7 a 8% de aire primario. KHD decide instalar un soplador para el aire axial (JET) y un ventilador para el radial y alcanza valores de 6 a 8% de aire primario total, considerando también el aire de transporte de carbón. FLS pretende utilizar aire aportado por un soplador para axial y radial, anunciando que su quemador CENTRAX puede trabajar con 3,5% de aire axial y radial, más el aire de transporte (1,5%). Todos estos esfuerzos se han basado en el fundamento y principio general del funcionamiento de todos los quemadores, basado en que la reacción química y el proceso fisicoquímico de la combustión se controlan y dominan con el control de flujos y el aporte de energía cinética contenida en el aire primario. La disponibilidad de gas natural permite eliminar el aire primario, aportando la energía cinética requerida para formación de llama aprovechando el impulso que le proporciona la presión de suministro del gas, utilizando el 100% de aire secundario como aire de combustión. Cuando se trata de quemadores de gas, el aire primario no resulta necesario, pues la energía cinética requerida para controlar la formación de llama puede y debe aportarse con el gas. Utilizar aire primario en un quemador de gas natural resulta innecesario y por tanto inconveniente, al afectar el adecuado control sobre la llama y la recuperación de calor. Las principales ventajas y alternativas de esta innovación tecnológica resultan técnica y económicamente favorables : Ventajas

Máximo aprovechamiento del calor recuperado en el enfriador

Ahorro de Kw-h al eliminar los ventiladores y sopladores de aire primario

Aprovechamiento de la energía potencial disponible en el suministro de combustible

Simplificación del diseño del quemador

Control operativo más simple y funcional Alternativas

Mejora significativa de consumos específicos de energía térmica (kcal/kg) y eléctrica (kW-h/t).

Manejo de llamas más calientes y cortas

Utilización eficiente del pet-coke y Antracitas más difíciles de quemar. El gas natural aporta los volátiles pobres en estos combustibles.

Utilización del gas con llamas más emisivas.

Ampliación de las posibilidades de utilización de combustibles alternativos.



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En las plantas industriales el gas natural se suministra a 60 psi , equivalentes a unos 4000 mbar; un soplador de pirojet impulsa aire primario a menos de 1000 mbar. Esta abundante energía cinética no figura en la facturación de la empresa de gas, la cual sólo cobra el poder calorífico del combustible. El ahorro inmediato de energía eléctrica ya resulta considerable. En un quemador pirojet de regular capacidad el consumo de kW-h de los motores del soplador y ventilador utilizados podría ser de alrededor de 35 kW-h. Tomando un costo promedio de 0.06 US$/kW, el ahorro anual por la modificación del concepto funcional del quemador podría representar unos 20.000 US$/año, además de los que involucran el mantenimiento y depreciación de equipos. Instalaciones e instrumentación. Así como en los quemadores de gas resulta absurdo utilizar aire primario, también en los quemadores duales gas-carbón o gas- petróleo se puede y debería eliminar el aire primario, resultando la única condición requerida para ello, disponer de un diseño adecuado de quemador. La excelente disponibilidad de energía cinética con el gas permite considerar muchas alternativas en cuanto a conformación del quemador, similares a las que se han manejado y evolucionado al efectuar el mismo trabajo con aire primario, con la salvedad de resultar necesario tener en cuenta que al utilizar aire primario se dispone de oxígeno adicional, mientras que en el caso de gas, el exceso será de combustible. Esta diferencia puede representar una ventaja adicional en lo referente a la disminución de la generación de NOx. En principio, todos los quemadores diseñados para utilizar aire primario axial y radial, podrían sustituirlo por gas que cumpla la misma función y tarea, aportando la cantidad equivalente de energía cinética, tomando en cuenta la diferencia de densidad entre ambos fluidos. La combinación del quemador ultrasónico de gas con toberas axiales y radiales en la parte central con el flujo de aire de transporte de carbón en la parte exterior anular de un tubo correctamente dimensionado resulta una alternativa simple y funcional (Figura 11.24).

Figura 11.24 Quemador a Gas Kloeckner Humbold Deutz

La utilización del gas como aportante de energía cinética favorece la utilización de combustibles sólidos y líquidos muy difíciles de quemar y combustibles alternos constituidos por aceites residuales tóxicos y peligrosos, asegurando su combustión completa y conversión total en CO2 y H2O, productos de combustión totalmente inertes. En la Figura 11.25 se muestra el cabezal de un



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quemador diseñado para utilizar en forma combinada gas axial y aire radial, aportando en forma combinada la energía cinética para conformación de llama, permitiendo utilizar simultánea o alterna combustibles sólidos, líquidos y gas natural.

Figura 11.25 Tobera de quemador con gas y aire primarios

La disponibilidad de gas natural con elevadas presiones, establece la posibilidad de reemplazar el aire primario por gas natural, permitiendo el aprovechamiento del 100 % del aire secundario para recuperación de calor del enfriador.



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12.5 COGENERACIÓN EN PLANTAS CEMENTERAS

La industria cementera es un consumidor intensivo de energía térmica y

eléctrica, lo que determina condiciones potencialmente favorables para

proyectos de cogeneración; sin embargo, existen muy pocas experiencias en

este campo, debido a que en las plantas antiguas no se presentan

condiciones favorables y a los cementeros no les interesaba vender energía

eléctrica. Para plantas modernas con precalcinación y ejecutivos con mayor

amplitud de criterio empresarial , proponemos un enfoque diferente.

11.5.1 SISTEMAS DE COGENERACIÓN ADECUADOS Los sistemas que utilizan turbinas de vapor están descartados en plantas cementeras con niveles termodinámicos más exigentes que los del vapor saturado y muy pocos requerimientos térmicos auxiliares. La utilización de calor recuperado de gases de chimenea también resulta termodinámicamente insuficiente. En realidad, el sistema de cogeneración que podría aplicarse consiste en la instalación de turbinas de ciclo simple, en las cuales se utiliza la energía cinética de los gases de combustión, desperdiciando el calor liberado por las chimeneas, con gases a temperatura mayores a 800 °C, lo que explica sus bajos niveles de eficiencias (38%). Estos gases calientes con un 16% de Oxígeno podrían reemplazar al aire terciario de la precalcinación. La viabilidad técnica de este proyecto estaría asegurada si podemos demostrar que resulta más conveniente utilizar los



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gases de salida de una turbina, autogenerando energía eléctrica, que utilizar aire transportado desde el enfriador o el cabezal.

11.26

En el corazón de un ducto de aire terciario

11.5.2 AIRE TERCIARIO versus GASES DE TURBINA Para establecer la conveniencia del aire terciario efectuemos un pequeño balance térmico que nos permita comprobar la importancia económica de recuperar el calor del clínker para disponer de aire caliente en el precalcinador. Un sistema típico con precalcinador, donde se consume el 60% de aporte térmico, con una capacidad de producción de 100 TM de Clínker por hora y un consumo específico de 800 Kcal/Kg de Clínker, nos permite el siguiente análisis: Requerimiento de aire de combustión : 1 m3N/1000 Kcal Requerimiento total de aire de combustión : 80.000 m3N/h Requerimiento Aire en el Horno : 32.000 m3N/h Requerimiento Aire en el Precalcinador: 48.000 m3N/h Recuperación de calor en el aire terciario : 48.000 m3N/h . 700°C . 0.31 Kcal/ m3N/h.°C = 10´416.000 Kcal/h Esta recuperación se perdería en caso de utilizarse aire atmosférico. ¿Cuánto representa respecto al consumo específico total?



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10´416.000 / 800´000.000 = 1.3 % ¿Cuantos Kw-h se pueden generar para disponer de este volumen de fases equivalentes al aire terciario? Tomando en cuenta que el calor contenido representa alrededor del 60 % del calor total aportado a la turbina y el 37% el calor útil, el mismo representará alrededor de 7.000 Kw-h. Si consideramos un precio promedio por Kw-h adquirido de la red de US$ 0.06, tomando en cuenta el cuadro comparativo d costos de generación, podemos deducir que solamente se justificará la evaluación del proyecto de Cogeneración con el sistema seleccionado operando con gas natural, debiendo descartarse en el caso del Diesel 2.

Tomando como referencia un valor de US$ para el Kw-h Cogenerado y aportando el aire terciario equivalente, el ahorro en el suministro eléctrico de 7 Mw-H será de US$140 que permitirían recuperar la inversión requerida en un plazo aproximado de 18 meses. 15.1.3 Posibilidades de Cogenerar en Plantas Cementeras La disponibilidad de gas natural establece la posibilidad de cogeneración en cualquier planta industrial y particularmente en aquellas que requieren para su funcionamiento importantes cantidades de energía térmica y eléctrica. La industria cementera cumple tal condición, representando ambas siempre más del 50 % de los costos operativos. La evaluación de esta posibilidad en hornos cementeros resulta verdaderamente sorprendente, justificando totalmente la formulación de



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proyectos de inversión que determinen la factibilidad técnica y justifiquen su implementación en rentabilidad económica, por los siguientes argumentos:

1. La condición de autogeneración eléctrica resulta imprescindible en cualquier planta cementera, en márgenes que podrían involucrar capacidades mínimas de emergencia, gasta suministro del requerimiento total de lanta, en lugares sin atención de servicios de distribución por redes.

2. La Cogeneración representa cumplir tal condición con costos por kw.h

generado muy bajos, normalmente 5 veces menores a los suministrados por red y 10 veces menores a los zutogenerados por grupos diesel.

3. Suministrar aire terciario a partir de la operación de una turbina de gas,

cogenerando energía eléctrica para operación de planta, resulta más conveniente que enviar aire recuperado desde el enfriador por un ducto aislado.

4. La Cogeneración en una planta cementera representa una posibilidad

que debe considerarse, pudiendo constituir un proyecto rentable, si se presentan condiciones de suministro de gas natural a precios convenientes y se tienen altos costos de contratación del suministro eléctrico de la red pública.

La inversión de un ducto de aire terciario en una planta cementera resulta un buen negocio para los proveedores de equipos, pero una mala inversión para plantas cementeras que disponen del suministro de gas natural en sus instalaciones.



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Capítulo 12

Gas natural en metalurgia

Los metales se encuentran ocultos en la naturaleza; la Minería

se encarga de encontrarlos y extraerlos; la Metalurgia debe

separarlos, concentrarlos, fundirlos, refinarlos y ponerlos a

disposición del insaciables mercado de consumo mundial.

La limpieza, simplicidad de manejo y facilidad de combustión

del gas natural permite desarrollar todos los procesos y

operaciones unitarias que resultan necesarios, con mayores

niveles de eficiencia y preservación ambiental.

Todos los metales son preciosos



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12.1 Combustión de Gas Natural con Oxígeno en los Hornos de Fundición

Todo el desarrollo de la tecnología de la combustión se ha basado en la utilización del aire atmosférico como comburente, pero existen 2 razones principales para mejorar su capacidad química como portante de oxígeno para la combustión: Combustión en altura y Procesos de alta exigencia térmica.

Combustión en altura El aire tiene un contenido de oxígeno de 20.9 % en volumen y 23 % en masa en condiciones atmosféricas normales, a nivel del mar. El enrarecimiento del aire al disminuir su presión con la altura afecta proporcionalmente su capacidad de aporte de masa de oxígeno para la combustión; a nivel del mar 1 m3 de aire contiene 300 gramos de oxígeno, disminuyendo esta masa en un 20 % por cada 1000 metros cúbicos de altura, como se puede observar en la Figura 12.1

Figura 12.1

Efecto de la altura sobre la presión atmosférica



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Todos los procesos y equipos industriales diseñados para trabajar con aire normal serán afectados al recibir menos masa de oxígeno para la reacción química de combustión, pero también menos impulso para establecer las condiciones de mezcla y formación de llama. Sin embargo, la tecnología para compensar tales deficiencias resulta relativamente simple; solamente tendrá que utilizarse ventiladores que normalicen las condiciones del aire previstas en el diseño.

Procesos térmicamente exigentes Existen muchos proyectos, principalmente los de fusión de materiales, que requieren de niveles térmicos muy exigentes para completarse en tiempos suficientemente rápidos para mantener condiciones productivas favorables. La temperatura de llama con aire con 21 % de oxígeno, no resultará suficiente para alcanzar elevadas temperaturas que favorezcan la transferencia de calor por radiación. Las condiciones de combustión con oxígeno que se presentan en la práctica son :

Enriquecimiento del aire con inyección de oxígeno en la succión del ventilador del quemador.

Inyección de oxígeno directamente en la llama, utilizando quemadores Oxi – Fuel.

Combustión con Oxígeno como comburente. En este caso, las altas temperaturas de llama exigen diseños especiales de refractarios que soporten condiciones muy exigentes de calentamiento, utilizando materiales especialmente resistentes y diseños flotantes.



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Cuadro N° 12.1 Temperaturas de Llamas

COMBUSTIBLE COMBURENTE TEMP. INDICE TEORICA REAL

ºC EXCESO AIRE n ºC ºC

Acetileno Aire 15 1,00 2630 2320 Monóxido de Carbono

Aire 15 1,00 2470 2100

Hidrógeno O2 15 ---- 2974 ---- Hidrógeno Aire 15 1,00 2210 2045 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1735 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1880 Metano Aire 15 1,00 1915 1880 Etano Aire 15 1,00 a a Propano Aire 15 1,00 1980 1925

Butano Aire 15 1,00 Fuel oil pesado Aire 15 1,00 2015 Fuel oil pesado Aire 15 1,30 1690 Fuel oil pesado Aire 300 1,00 2120 Fuel oil pesado Aire 300 1,30 1845

En este caso específico, la única desventaja reconocida del gas natural, su

baja emisividad de llama, resulta favorable para la operación de los hornos de fundición por las siguientes razones:

Siendo la temperatura de llama con oxígeno cercana a los 3.000 °C y tomando en cuenta que la trasferencia de calor por radiación resulta proporcional a la temperatura a la cuarta potencia, la radiación de calor resulta formidable para la fusión del baño, pero demasiado exigente para el refractario. El gas natural permitirá aliviar este esfuerzo térmico, favoreciendo la duración del refractario flotante que se instala en estos hornos.

La llama de Fuel Oil resulta demasiado larga para el diseño del horno y determinará que los quemadores instalados en el techo provoquen el impacto de llama sobre el baño, lo que provoca un rebote que finalmente produce daños sobre el refractario del techo (Figura 12.5). La llama del

gas natural, extremamente corta, no llega a impactar sobre el baño.



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Figura 12.2

Impacto de llama en hornos de fundición

La facilidad para instalación de quemadores de gas natural en cualquier punto

y posición del horno, también representa una ventaja respecto a combustibles líquidos, para los cuales tienen que asegurarse condiciones adecuadas para asegurar atomización perfecta y combustión completa.

Actualmente, la tendencia mundial se orienta a la instalación de Hornos de

Cuba Verticales, para lo cual resulta ideal la utilización de combustibles gaseosos con llamas cortas y potentes.

Los factores favorables comentados del empleo del gas natural en hornos de

fundición con enriquecimiento del aire o uso del oxígeno como combustible, permiten establecer con seguridad que en estos procesos siempre resultará conveniente y rentable este tipo de proyectos, a cualquier altura, longitud y latitud.



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12.2 Combustión de Gas natural en Hornos de Crisol En los hornos de crisol el calentamiento es indirecto; la combustión se produce en la parte externa del crisol y el producto se funde o sublimiza en la parte interna, pudiendo utilizarse cualquier combustible. En la Figura 12.3 se observa un típico horno de crisol calentado por carbón en forma rudimentaria, pudiéndose quemar cualquier cosa en la fogata que aporta el calor.

Figura 12.3

Crisol calentado por

carbón En plantas metalúrgicas de mayor capacidad se utiliza crisoles para diversos usos,

para fundir metales tales como el oro y el plomo, producir oxido de Zinc por sublimización, fusión de aleaciones para diversos empleos, afinado de metales que requieren extrema limpieza, etc. Generalmente se considera que la llama en el hogar debe impactar la pared del crisol para favorecer su calentamiento, pero ese es un concepto totalmente equivocado. La llama debe orientarse hacia la pared exterior del hogar y la combustión debe completarse lo más rápido posible, transfiriendo calor por radiación hacia el crisol; los gases de combustión son los que deben trascurrir con la mayor turbulencia en contacto con las paredes del crisol y para ello cualquier innovación resulta favorable. En el diseño de crisoles, los materiales deben seleccionarse tomando en cuenta su resistencia al calor y su coeficiente de transferencia de calor, manteniendo un equilibrio adecuado entre ambos parámetros. En la misma forma que el caso de los hornos de calentamiento de palanquillas, también se justifica la recuperación de calor para precalentamiento del aire o el combustible (en algunos casos el material). Cuando se utiliza gas natural como combustible la recirculación de calor instalando un intercambiador gas/aire en la chimenea, resulta obligatorio por la siguientes razones:



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La menor emisividad de llama del gas natural, para condiciones similares de regulación de la combustión tendría menor emisividad de llama y resultará limitada la cantidad de calor trasferido a través de la pared del crisol. L aoperación con menores excesos de aire podrían compensar el factor térmico.

La recuperación de calor de los gases de chimenea y consiguiente precalentamiento del aire, permitirán elevar a temperatura real de llama, compensando la menor emisividad.

La limpieza de los gases de combustión permiten utilizar materiales para los crisoles, menos resistentes a factores corrosivos, con mayores coeficientes de transferencia de calor.

En hornos de crisol, a diferencia de las llamas que se enfocan hacia la pared exterior para evitar el impacto de cenizas fundidas y corrosión a altas temperaturas, resulta posible crear mayor turbulencia, o que favorecerá la transferencia de calor por convección. Como se puede apreciar en la Figura 12.4 el quemador se orienta, en el caso particular del gas natural, por la rapidez de combustión y limpieza de gases, puede enfocarse sobre la parte central o el propio crisol. El ángulo de subida debe mantenerse lo más estrecho posible, para lograr que los gases dejen el horno por sobrepresión, lo que evita pérdidas exageradas con los gases de salida.

Figura 12.4

Horno de Crisol con Gas Natural



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12.3 PRODUCCIÓN DE HIERRO ESPONJA CON REDUCCIÓN DIRECTA DE PELLETS ENERGIZADOS CON GAS NATURAL

La mejor técnica de ahorro de energía involucra eliminar

procesos industriales completos, simplificarlos y/o eliminar

operaciones del mismo, modificando tecnología para conseguir

el mismo producto con una ruta diferente. La participación en

proyectos de optimización energética en todo tipo de industrias,

algunas complementarias, nos permite visualizar posibilidades

verdaderamente técnicamente interesantes y económicamente

muy atractivas como la presente.

12.3.1 Hierro metálico para producción de acero La fabricación de acero se efectúa a partir de la fusión de hierro metálico, chatarra y/o Hierro Esponja. Todavía la mayor proporción de acero se produce a partir del producido en los llamados Altos Hornos por sus grandes dimensiones, donde se alterna capas de mineral de hierro y coque, con cal como fundente y para eliminación del azufre en forma de sulfatos de calcio, para producir la reducción del mineral y producir el llamado Hierro Blister (Figura

12.5).

Figura 12.5

Alto Horno de Hierro



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La segunda alternativa es utilizar la chatarra de hierro, de material recirculado de los múltiples usos de hierro utilizado (automóviles, postes, estructuras de todo tipo, etc.) Al producirse escasez de chatarra por la guerra de Corea, en México se desarrolló la técnica de reducción directa del Hierro Esponja, con carbón mineral. Como se ha visto en el Capítulo X al enforcar la combustión en Hornos de Hierro Esponja, esta tecnología puede aplicarse en hornos tubulares, alimentando pellets de mineral de hierro, para obtener hierro esponja (Figura 12.6)

Figura 12.6

De pellets a Hierro Esponja

Para efectuar esta reducción directa, se utilizan grandes hornos tubulares con alimentación conjunta de estos dos materiales y aporte térmico para manejar las condiciones termodinámicas adecuadas en el interior del horno (Figura 12.7)

Figura 12.7

Horno de Hierro Esponja La tendencia moderna es reemplazar este proceso por la

utilización de Horno Verticales, utilizando como fuente reductora Gas de Síntesis, producido a partir de gas natural en una atmósfera de vapor de agua,



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obteniendo un gas rico en Hidrógeno y CO, que además de ser extremadamente peligroso, se justifica como insumo para producción de metanol y Amoníaco, teniendo que obtenerse a un precio muy bajo el gas natural para justificar el empleo de Gas de Síntesis como reductor; en otras palabras, técnicamente el proceso de reducción directa en hornos verticales tiene muchas ventajas sobre los hornos horizontales tubulares que son pésimos intercambiadores de calor, pero económicamente resulta un lujo difícil de justificar. 12.3.2 Investigación aplicada: nueva tecnología La experiencia desarrollando proyectos de optimización en las operaciones de producción de concentrados de Hierro, su aglomeración en tambores de pelletización y su posterior secado en parrillas viajeras, así como su reducción a hierro esponja en hornos tubulares, nos ha permitido concebir una forma más simple, práctica y efectiva de producción de hierro metálico, eliminando gran parte de la enorme maquinaria utilizada y disminuyendo radicalmente los costos de inversión, operación y mantenimiento. Contando con la colaboración de un importante productor de mineral de hierro hemos efectuado un trabajo de investigación para desarrollar una integración de procesos, consistente en producir ―pellets energizados‖ que permitan su reducción directa en equipos relativamente simples, con menores implicancias de carácter ecológico. Los resultados del trabajo de campo y las pruebas de laboratorio, nos permitieron comprobar la factibilidad de integrar en la producción de pellets en el tambor pelletizador, una proporción calculada de carbón pulverizado, suficiente para producir la reducción directa del mineral en la etapa de secado (. Sin embargo, no resultó posible realizar simultáneamente esta prueba por no estar diseñados los hornos secadores para efectuar ambos procesos simultáneamente y no poder modificar el trabajo de los secadores existentes, convirtiéndolos directamente en hornos de secado y reducción del mineral de hierro, produciendo directamente Hierro Esponja. Los inconvenientes fueron de carácter termodinámico y mecánico, no existiendo las condiciones en los quemadores para elevar la temperatura, ni los motores adecuados pata disminuir la velocidad de giro y aumentar el grado de llenado, para desarrollar ambos procesos dentro del mismo reactor. El proyecto de investigación sigue en marcha y los resultados han justificado que se considere el diseño de un nuevo reactor con las características ideales para conseguir que el proceso de secado posterior a la pelletización sea reemplazado por un reactor que funcionando con gas natural, produzca directamente Hierro Esponja, en lugar de Pelets de Oxido de Hierro.



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12.3.3 Producción de los pellets de Hierro Energizado Para dosificar el carbón al tambor pelletizador (Figura 12.8) se determina la proporción necesaria utilizando la siguiente reacción:

Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe

Figura 12.8

Tambor Pelletizador

Efectuando los cálculos necesarios podemos establecer como premisa una relación de dosificación Oxido

de Hierro/ Carbón mineral pulverizado de 5:1. La prodycción y tamaño de Pellets dependerá de 3 factores:

Finura de partículas de mineral de hierro y carbón.

Cantidad de agua

Velocidad de giro

La posibilidad de utilización de otros fluidos combustibles en sustitución del agua, permitiría efectuar la pelletización en seco, utilizando sistemas de extrusión o compactación, eliminando la etapa de secado actual. Para el secado de pellets actual se utiliza hornos de parrilla como la que se muestra en la Figura 12.9.



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Figura 12.9

Parrilla secado Pellets

12.3.4 Reactores para reducción Resulta necesario establecer que la reacción de reducción directa ya se está produciendo en el interior de los pellets energizados, pero a velocidad extremadamente lenta a temperatura ambiente. En el secado a temperaturas limitadas se incrementará la cinética de reacciones del carbón con el oxígeno del aire y el agua, produciéndose formación de algo de CO e inclusive Hidrógeno que ya actúan como reductores, ―arrancándole‖ el oxígeno al óxido de hierro que constituye el mineral de hierro concentrado. Los pellets energizados y secos podrán ser sometidos a un proceso de reducción directa, pudiendo realizarse esta operación en un reactor especialmente diseñado vertical o los mismos hornos tubulares actuales:

Reducción en Horno Vertical El diseño de un reactor ideal, considerando que el mineral de hierro y el carbón ya se encuentran juntos en el interior de los pellets, tendrá que orientarse al tipo de horno vertical, similar al que se efectúa con los pellets tradicionales, pero sin necesidad de producir para su operación el gas de síntesis. La versatilidad del gas natural permitirá aportar el calor necesario para mantener la combustión parcial del carbón, efectuando el CO generado la reducción, en el interior de cada nódulo.



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Reducción en Horno Tubular La reducción directa de pellets energizados podría afectarse en una estufa, pero debe efectuarse en un reactor industrial, para los volúmenes de materiales que se procesan en la industria siderúrgica (Figura 12.10).

Se pueden utilizar los mismos hornos actuales, pero con la gran ventaja de disponer de pellets con el agente reductor integrado, eliminando la dosificación de carbón para reducción exterior y calentamiento. El gas natural permitirá controlar la temperatura en los niveles adecuados para alimentar pellets energizados y descargar hierro esponja.

Figura 12.10

Hornos de hierro esponja

12.3.5 Ventajas del desarrollo tecnológico La tecnología propuesta cumple la máxima aspiración del concepto de conservación energética, al permitir eliminar un proceso y varias operaciones al mismo tiempo, generando un ahorro inmenso en los costos de obtención del hierro esponja, que podría despedir a los arcaicos sistemas todavía produciendo la mayor proporción de Hierro Esponja para fabricación de acero. Producir directamente pellets de hierro metálico en el campo metalúrgico en cierta forma lo interconecta con el siderúrgico.



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La comercialización de ―pellets energizados‖ facilita la tarea siderúrgica, pero compromete la participación directa de los ingenieros de planta, quienes deben disponer de la capacidad suficiente para diseñar los reactores adecuados; si como sucedía en el siglo XX se encarga esta tarea a los fabricantes de maquinaria y equipo, siendo buenos empresarios, procurarán complicar las cosas en lugar de simplificarlas, para obtener los mayores beneficios. El diseño del reactor adecuado tendría que cumplir algunas condiciones y tener las siguientes características:

Temperatura: La indicada para generar la reacción parcial de oxidación (combustión incompleta) que produzca CO y algo de hidrógeno.

Presión ligeramente positiva para evitar el ingreso de aire falso, lo que también establece la necesidad de hermeticidad en el reactor.

Control de la atmósfera interna: Controlando presión y temperatura debe mantenerse la atmósfera reductora necesaria para que todo el oxígeno del óxido de hierro sea extraído y convertido en CO2 y H2O.

Contacto de gases con los pellets : El control de la atmósfera interna del horno debe mantener una condición casi estacionaria, determinando que lo único que fluya fuera de la zona de reacción sea CO2.

El sistema ideal de diseño que hemos considerado es el de una parrilla viajera cerrada con combustión estacionaria que permita mantener los parámetros en los niveles adecuados, dimensionando el sistema en función de la capacidad de producción proyectada (Figura 12.11).

También se podría diseñar un reactor tubular con diámetro muy pequeño para favorecer el contacto y controlar la velocidad de paso de los gases, aprovechando el giro del horno para el avance del material, determinado por su pendiente.

Figura 12.11

Parrilla viajera con atmófera

reductora



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12.4 HORNOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO Los hornos de tratamiento térmico de cualquier tipo de materiales metálicos, tales como bolas de acero, piezas de acero para trabajo abrasivo, muelas de chancadoras, uñas de Payloaders, etc. tienen que cumplir una curva térmica adecuada para cada operación y material, para proporcionarles las características requeridas en su forma de empleo. El diseño del proceso y de los equipos para desarrollar el tratamiento térmico deben considerar que en este caso no se requiere un aporte térmico considerable para el proceso mismo, sino mantener la temperatura que permita establecer la curva de tratamiento para cada caso; por esta razón, las pérdidas termodinámicas son las que deben ser el objetivo principal de optimización energética, dando por descontado que en el siglo XXI, se dispone de los equipos necesarios y los automatismos adecuados para desarrollar un perfecto control de los niveles térmicos requeridos. Generalmente se presentan dos casos:

Grandes piezas que deben permanecer estáticas: En estos casos se desarrolla un control perfecto de la atmósfera del horno que contiene la pieza, manejando el aporte térmico con el mínimo de consumo de combustible, utilizando un equipo como el que se muestra en la Figura 12.12.

Estos quemadores permiten regular la temperatura de los gases con una variación mínima de +/- 1 °C, permitiendo alcanzar los niveles térmicos requeridos por el proceso dentro del horno y mantenerlo compensando casi exclusivamente las pérdidas termodinámicas, por lo que los principales consumos se producen en las etapas de calentamiento. El enclavamiento del quemador con el servomotor del dámper de salida de gases, permite mantener la inercia requerida para cada operación del sistema.

Figura 12.12

Quemador en vena de aire



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Resulta de la mayor importancia la hermeticidad de los hornos para mantener la atmósfera que conviene a cada proceso y conseguir el máximo rendimiento térmico, el cual debe controlarse como consumo específico de calor por carga de producto o pieza.

Hornos de tratamiento de Bolas de acero sobre parrilla Un caso particular de trabajo ineficiente lo constituyen los hornos de tratamiento metalúrgico de bolas para molienda, sin razón justificada, porque no constituyen un caso diferente, sino uno de los más simples.

El tratamiento de bolas de acero

puede ser muy simple o muy

complejo, pero debe tener siempre

la máxima eficiencia térmica.

Para este tipo de hornos resulta siempre conveniente disponer de gas natural, y en su defecto GLP, pero pueden trabajar con

cualquier combustible, aunque no con los mismos rendimientos, y considerablemente más bajos si se tiene que trabajar con calor indirecto.

Hornos de solera móvil La condición adecuada para efectuar tratamiento térmico con el mejor control sobre el desarrollo de curvas y rendimiento térmico, se logra con Hornos de solera móvil donde se combina la combustión estática y controlada, con el avance de las piezas por el horno, lo que elimina las pérdidas que producen los hornos tipo batch, ya que la solera movible permite operar estos hornos en forma continua. (Figura 14.33)

Figura 14.33

Hornos de Tratamiento

Térmico con Solera

Móvil



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12.5 REGULACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN HORNOS DE FUNDICiÓN ROTATORIOS

La utilización del gas natural en Hornos Rotatorios de Fundición de Metales ha sido objetada por su baja emisividad de llama, pero la utilización de quemadores con diseño adecuado para formación adecuada de la forma de llama y control de la atmósfera del horno, puede permitir su operación en forma satisfactoria, limpia y eficiente.

12.5.1 Análisis de las características del horno de fundición rotatorio

Las características dimensionales del interior del horno resultan ideales como cámara de combustión, permitiendo la disponibilidad de suficiente volumen útil para conformar una llama de forma y tamaño conveniente para las características del proceso. Al llenarse completamente el horno , tal condición queda parcialmente afectada, al disminuir la disponibilidad de espacio para ubicar la llama, pero resultando conveniente el efecto reductor que produce el impacto de llama sobre el material en proceso, ello no resulta verdaderamente un inconveniente y podría representar una ventaja.

El revestimiento refractario de ladrillo de cromo-magnesita, además de cumplir sus funciones de protección de la chapa metálica y buena resistencia al ataque químico, presenta condiciones favorables para la concentración térmica sobre el material, por tener una buena emisividad y la forma cilíndrica que refleja el calor absorbido de la llama hacia el material. Se debe revisar el diseño original de refractario respecto a las exigencias físicas, térmicas y químicas.

La condición de circulación de gases en sentido contrario a la llama establece una exigencia particular de mecánica de fluidos en el interior del horno, que exige un perfecto control de la presión interna en la cámara y de la succión creada por el tiro en la garganta de salida. Para esta condición, la conformación de la llama cónica hueca establece condiciones ideales para crear la recirculación de los gases quemados por la parte exterior de la llama en el sentido de la salida hacia el exterior, lo que debe complementarse con la regulación adecuada de tiro, asegurando que lleguen hasta la garganta por el impulso del quemador, siendo extraídos de la garganta sin ―jalarlos‖ del interior del horno, para no extraer calor y material en forma innecesaria.



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12.5.2 POSIBILIDADES DE REGULACIÓN DE LLAMA CON EL QUEMADOR

PEG Y GAS NATURAL

Para las características que hemos definido de este tipo de hornos como reactor de combustión resultaría ideal una llama muy intensa, en forma de dardo o soplete, que provoque la comentada recirculación de gases quemados en sentido contrario, pero quemando gas natural se tiene que tratar de ―demorar‖ la combustión‖ mediante los siguientes artificios:

Establecer la mínima disponibilidad posible de oxígeno, lo cual además de favorecer la presencia de partículas de carbón en estado incandescente que radien calor desde la llama, favorece el objetivo de mantener condiciones reductoras en el reactor.

La observación del color de llama resulta de gran utilidad para establecer la calidad radiante de la llama que se logre conseguir con gas natural. El color amarillo que se ha logrado es el mejor, desde el punto de vista de emisividad y temperatura de llama que intervienen en la Ecuación que define las condiciones de transferencia de calor por radiación:

Qr : m. e. (dT)4

Donde: Qr : Calor transferido por radiación m: masa disponible radiante e: emisividad dT: Diferencial de temperatura respecto al ambiente

La siguiente escala define con claridad el comportamiento de la temperatura de llama en este campo:

Rojo : 1000 – 1100 °C Cereza: 1100 – 1200 °C Naranja: 1200 – 1300 °C Amarillo: 1300 – 1400 °C Blanco: 1400 – 1500 °C Blanco deslumbrante : más de 1600 °C.



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El análisis de gases permite un excelente control de los factores mencionados.

12.5.3 CONTROL DE LA ATMÓSFERA INTERNA DEL HORNO

Para mantener condiciones estables y convenientes para el proceso en este tipo de hornos, influirán factores correspondientes a 3 campos principales:

a) Cinética Química

La facilidad de combustión del gas

natural exige el diseño del quemador adecuado para demorar la mezcla y cinética de la reacción. La facilidad de combustión del gas natural permitirá

mantener la condición aire-combustible prácticamente en el estequiométrico, resultando de la mayor importancia que la combustión se complete en el trayecto de la mezcla en la dirección de inyección, debiendo corresponder el flujo externo en sentido contrario y hacia la garganta del horno a gases ya quemados.

La disponibilidad de análisis de gases a la salida del horno permitirá disponer de valiosa información para efectuar un eficiente control sobre el cumplimiento de tales condiciones, en el siguiente sentido:

La indicación de O2 permite controlar la existencia de atmósfera reductora, debiendo mantenerse en un nivel mínimo.

La indicación de CO resulta de la mayor importancia porque sirve para comprobar que se complete la combustión en el límite de la condición estequiométrica, pudiendo aceptarse hasta 1000 ppm para garantizar condiciones reductoras en el horno. En el ducto de gases al filtro ingresará aire falso que permitirá su conversión total a CO2 antes del filtro; la condición explosiva de CO se presenta a partir de 2500 ppm (0.25%). Resulta necesario que la indicación de CO se muestre en ppm ( 1% = 10000 ppm).

La indicación de NOx resulta más importante como indicador de la temperatura de llama que como un control de emisiones a la atmósfera, pero deberá considerarse los valores registrados siempre asociados a los valores registrados de CP, porque en la medida que haya CO le robará el oxigeno al NOx quedando nitrógeno molecular (N2).

La indicación de CO2 resulta importante para el control del desarrollo del proceso metalúrgico.

La indicación de SOx permitirá controlar los niveles de emisiones a la atmósfera y la proporción que permanece combinada en la escoria.



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12.5.4 MECÁNICA DE FLUIDOS Y CIRCULACIÓN DE GASES

Si pudiese disponerse de una llama con el impulso y la potencia necesarias para mantener forma y estructura estables, tales como un soplete, el tiro creado por la circulación de gases no afectaría su conformación.

Al utilizarse como combustible gas natural y requerirse menor intensidad de impulsos y velocidad de mezcla para prolongar la permanencia de partículas de carbón en estado incandescente, para favorecer su emisividad y la transferencia de calor por radiación, un tiro descontrolado en la garganta del horno puede afectar la estabilidad de la forma de la llama, arrastrando una parte en los gases extraídos por el tiro, sin que aporte calor al sistema.

De acuerdo a lo observado en la operación del horno 2, se ha comprobado que en diversas condiciones operativas y etapas del proceso se observa que el tiro resulta exagerado y sale llama (material combustible en proceso de combustión) por la garganta del horno.

Dependiendo también la despolvorización de otro ambiente del tiro, resulta difícil regular el tiro de los hornos mediante dámper y muy violento cuando se utilizaba el variador de frecuencia del motor del ventilador extractor. Estamos convencidos que se debe modificar el diseño de la garganta de salida del horno para favorecer el control de extracción de gases en el nivel estrictamente necesario para desplazar los gases eliminados por la sobrepresión del interior del horno.

Para favorecer tal condición, resultará necesario mejorar el diseño original de la garganta, implementando un sistema o mecanismo que rompa la succión del interior del horno. Teniendo las dimensiones, presiones y flujos, prepararemos un diseño para ser propuesto, analizado y discutido en reunión técnica en planta.

12.5.5 CONDICIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR

En este tipo de horno prevalece la transferencia de calor por radiación, como ya se ha manifestado, por lo cual la utilización del gas natural como combustible resulta cómodo pero complicado en cuanto a la emisividad de llama.



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El diseño y regulación del quemador ha permitido mejorar estos factores, pero el análisis del balance energético y las condiciones térmicas de los gases que abandonan el horno, arrastrando una proporción importante de calor sin ninguna aplicación útil, nos obligan a considerar otras opciones que permitan conseguir un mejor rendimiento global del sistema, favoreciendo la transferencia de calor por radiación. Analizando posibilidades y recordando la fórmula de transferencia de calor por radiación, consideramos factibles una para mejorar la emisividad y otra para elevar la temperatura de llama.

Para mejorar la emisividad de llama resultará importante incorporar en el centro del cuerpo del quemador un conducto que inyecte aceite lubricante usado en el centro de la llama. Tomando en cuenta que resultará más económico que el propio gas natural y las instalaciones para acondicionamiento, almacenamiento y bombeo del aceite no resultan complicadas, se debe proceder a elaborar el proyecto de inmediato.

Estimamos que la inyección de una proporción mayor al 10% permitiría

incrementar la emisividad actual de la llama, siempre inferior a 0.6, hasta un importante 0.8, lo que icrementaría la tran sferencia de calor por radiación en un 20%, mejorando en algo así como 7 % el rendimiento del horno, debido a que una mayor proporción se incorporará a las pérdidas termodinámicas.

Precisamente para procurar recuperar las pérdidas con los gases de salida, además de los aspectos ya mencionados para evitar el excesivo arrastre de calor, se considera la posibilidad de recuperar parte del calor de los gases de salida para precalentar el aire del quemador. Esta posibilidad resulta alentada por los siguientes factores:

a) La salida de los gases está muy cercana al quemador, permitiendo

concebir el desarrollo de un sistema de intercambio térmico que permita elevar la temperatura unos 200°C, lo cual permitiría un incremento de la temperatura del lama muy significativo, además del ahorro correspondiente de combustible.

b) Al disminuir la calidad del aire de combustión, lo que curiosamente resulta

conveniente en este caso para evitar la combustión muy rápida del gas natural, permitiría aumentar la potencia de la llama, favoreciendo el manejo de la mecánica de fluidos y evitar la succión del tiro.

c) Al haberse elegido ventiladores que aparentemente disponen de mayor

presión estática en la descarga, la misma puede permitir considerar la circulación del aire por el intercambiador propuesto, antes de ingresar al quemador.



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CAPITULO XIII

GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA DEL VIDRIO Y CERÁMICA

Para las exigencias de limpieza y calidad de los productos de vidrio y cerámicos, vinculados principalmente con la alimentación y decoración artística, el suministro de energía limpia es indispensable, por lo cual la importancia de disponer de las ventajas que representa el gas natural en términos económicos, técnicos y ecológicos, resulta determinante. Cualquier empresa de estos sectores no resultará competitiva en mercados donde ya existe la posibilidad del suministro de gas natural, si opera con cualquier otro combustible.

Sin embargo, el gas natural no resulta bien aprovechado ; muchas veces el diferencial de precio favorable determina un lamentable desperdicio de sus posibilidades técnicas, siendo empleado con instalaciones y tecnología desarrollados para combustibles líquidos. El desarrollo de tecnología propia que permita el máximo aprovechamiento de todas sus posibilidades y ventajas, representa un desafío de innovación tecnológica. 13.1 GAS NATURAL EN HORNOS DE VIDRIO



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La industria del vidrio resulta uno de los campos más exigentes

para procesos de combustión por requerir altas temperaturas

para fusión y exigir aporte térmico limpio para no contaminar

los productos.

La fórmula de utilizar combustibles líquidos para los hornos de fusión y cantidades importantes de gases ricos, propano o gas manufacturado, para la mayoría de operaciones anexas a la fusión (feeders, máquinas automáticas, hornos de recocer y decorar, etc.) ha resultado satisfactoria, hasta la incorporación del gas natural. La disponibilidad de gas natural permite no sólo utilizarlo en esas operaciones, sino realizar en condiciones competitivas el calentamiento de los hornos de crisoles y de balsa, rompiendo el equilibrio competitivo en forma determinante. Las plantas de vidrio que no disponen actualmente de gas natural para sus operaciones, simplemente tienen que cerrar o dedicarse a otro negocio.

Gas Natural Indispensable para competir en la industria del vidrio



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13.1.1 Hornos de balsa

Los hornos de balsa están constituidos esencialmente por una cuba en material refractario, de forma generalmente rectangular, cubierta de una bóveda aplanada. Sus dimensiones varían enormemente: se valoran generalmente por la superficie del baño de fusión, que es de 10 a 100 m2 para el vidrio hueco y que puede alcanzar hasta 500 m2 para el vidrio plano. La capacidad de producción, que se expresa en toneladas por m2, es del orden de 1 t/ m2, para el vidrio plano y de 2 a 2.5 t/ m2, para el vidrio hueco. Las primeras materias se introducen por uno de sus extremos, estando el otro unido a unos canales, llamados «feeders», donde el vidrio se derrama por gravedad hacia las máquinas de fabricación. Para el vidrio plano, el extremo de extracción está provisto de un sifón de donde unos rodillos lo extraen y estiran en forma de lámina plana; también puede obtenerse por flotación. El horno de balsa está generalmente provisto de recuperadores o regeneradores, donde se calienta el aire de combustión por recuperación de una parte del calor de los humos. El equipo de calentamiento consta de unos inyectores de combustible, los cuales desembocan en el horno en la proximidad de los canales de refractario de llegada del aire de combustión procedente de los dispositivos de recuperación. La llama se desarrolla entre la bóveda y la superficie del baño, y los productos de combustión se evacuan por orificios apropiados. En los hornos de regeneradores, los mismos orificios sirven alternativamente para la introducción del aire caliente y para la salida de los humos, de acuerdo con los ciclos de inversión del horno. En los hornos con recuperadores, los orificios de admisión de aire y los de evacuación de humos son distintos, puesto que la recuperación del calor se efectúa de manera continua a través de paredes de refractario que separan ambos fluidos.

Los hornos de balsa pueden ser de dos tipos:

Hornos de calentamiento en bucle o herradura, en los cuales los orificios de llegada de aire y de combustible están colocados en uno de los lados menores del rectángulo. La llama se desarrolla en forma de bucle para



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volver sobre ella misma y evacuarse por canales situados en el mismo lado que los orificios de llegada citados. El recorrido de la llama es pues sensiblemente igual al doble de la longitud de la balsa (Figura 13.34).

Figura 13.1

Horno de balsa con llama tipo bucle

En esta figura se puede apreciar con claridad una de las grandes limitaciones de la combustión en este tipo de hornos, que explican las complicaciones en el diseño y los bajos rendimientos térmicos. La mayor extensión de la llama tipo bucle permite un mayor nivel de radiación de calor desde la llama al material, pero la transferencia de calor se realiza principalmente por convección en el líquido, por lo cual la mayor parte del calor se pierde a través de las paredes y con los gases de salida del horno

Hornos de calentamiento transversal, en los cuales los orificios de llegada están colocados a lo largo de uno de los lados mayores del rectángulo, y los orificios de evacuación están colocados en el lado mayor opuesto, por lo que la llama, en este caso, sólo dispone para su desarrollo de la anchura de la balsa (Figura 13.35).

Figura 13.2

Quemadores laterales

La característica de la transmisión de calor en este tipo de horno es la preponderancia (como en todos los hornos de reverbero) de la radiación sobre la convección, por las

razones siguientes:



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a) El vidrio es mal conductor del calor, por el contrario, es transparente; por ello, sólo la radiación puede alcanzar las capas profundas de la masa y, por consiguiente, calentar el baño en todo su espesor y no solamente su superficie.

b) Las corrientes de convección son perjudiciales a la calidad del vidrio, ya que entrañan el riesgo de arrastrar hacia la salida, antes de su fusión completa, partículas de materias primas, que producirían en las piezas fabricadas un defecto o tara que se denomina «grano».

La llama debe ser:

• Caliente: para que su elevada temperatura pueda producir el máximo de

partículas radiantes, y favorecer la evolución del proceso de disociación de los hidrocarburos y demás fenómenos exotérmicos.

• Voluminosa: con objeto de llenar el horno y calentar uniformemente todas

sus partes. • Suave: para poder adaptarse fácilmente a la forma del horno sin causar la

destrucción de determinadas partes del refractario por la acción del dardo de la llama.

• Luminosa: para permitir su penetración por radiación en el baño. • Fácil de regular: para poder producir una atmósfera oxidante o reductora y

prevenir la formación de defectos en el vidrio o un ataque grave del refractario.

Se han adoptado diversas soluciones, en los hornos de balsa, para la introducción de aire y de gas natural, con objeto de satisfacer esas condiciones. Las disposiciones más corrientes, tanto en los hornos de bucle como en los de calentamiento transversal, son las siguientes: • Los orificios de inyección del gas se colocan en la parte lateral del conducto

de llegada de aire, formando un ángulo de convergencia de unos 98° (Figura 13.3 - solución A).

• Los orificios de inyección se colocan, bajo el conducto de llegada de aire, entre éste y el nivel del vidrio (Figura 13.3 - solución B).

Estas disposiciones son recomendables para el gas natural, con la única condición de que la geometría de los quemadores permita una difusión del gas en la corriente del aire, de tal forma que la mezcla se produzca lo más cerca posible de la entrada de la balsa.

Los inyectores de gas natural presentan las características siguientes: • En el caso de que estén colocados a uno y otro lado del conducto de

llegada del aire, se utilizan inyectores cilíndricos, cuya convergencia



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produce, a partir del punto donde se cruzan los chorros, una llama única, ampliamente expansiva, que llena completamente la totalidad del volumen del conducto de aire. Esta llama es bastante luminosa, ya que encontrán-dose encerrada en ella una porción de gas sin quemar, se calienta y disocia antes de su difusión en el aire.

• En los demás casos, el inyector de gas produce un chorro de forma cónica,

cuya geometría se determina de manera que la mezcla de aire y gas esté prácticamente terminada cuando el conducto de aire desemboca en el horno.

Figura 13.1

De acuerdo con los cálculos teóricos, en las mismas condiciones de funcionamiento, temperatura y relación aire-combustible, el fuel-oil tendría un rendimiento térmico superior al del gas, ya que su temperatura teórica de combustión es más elevada y el poder emisivo de la llama es mayor. En la práctica, puede ocurrir de otra manera: el metano puede quemarse completamente con un exceso de aire inferior al que es necesario para el fuel-oil. Con excesos de aire respectivamente del 5 % y del 15 %, las temperaturas teóricas de combustión son sensiblemente las mismas para el gas natural que para el fuel-oil.



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Por otra parte, es relativamente fácil obtener llamas de difusión de gas natural cuyo factor de emisión sea de 0,5. Este valor, aunque inferior al factor de emisión de la llama del fuel-oil, está próximo al óptimo de radiación, que se sitúa alrededor de 0,45. Cuando los dispositivos de inyección de gas natural se han escogido correctamente y se han adaptado a las características tecnológicas de los hornos, es posible obtener llamas de gas natural de resultados próximos a los que se obtienen con el fuel-oil. Los consumos específicos de gas están comprendidos entre 1 500 y 2 500 kcal/kg. La combustión con oxígeno o aire enriquecido puede permitir aumentar significativamente la temperatura de llama y disminuir el volumen de gases de combustión, lo que favorece as condiciones de transferencia de calor y disminuye pérdidas don los gases. En la Figura 13.4 se muestran las formas de inyección de oxígeno para cumplir este propósito. Los inconvenientes de estas aplicaciones presentan en mayores exigencias para los materiales refractarios que trabajan bastante más calientes y los aislamientos que eviten que la mayor disponibilidad de temperatura calor se vayan al ambiente.

Figura 13.4

Formas de inyección de Oxígeno al

quemador

Los hornos de balsa están constituidos esencialmente por una cuba en material refractario, de forma generalmente

rectangular, cubierta de una bóveda aplanada. Sus dimensiones varían enormemente: se valoran generalmente por la superficie del baño de fusión, que es de 10 a 100 m2 para el vidrio hueco y que puede alcanzar hasta 500 m2

para el vidrio plano. La capacidad es del orden de 1 t/m2 para vidrio plano y de 2 a 2,5 t/m2 para el vidrio hueco. Las primeras materias se introducen por uno de sus extremos, estando el otro



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unido a unos canales, llamados «feeders», donde el vidrio se derrama por gravedad hacia las máquinas de fabricación. Para el vidrio plano, el extremo de extracción está provisto de un sifón de donde unos rodillos lo extraen y estiran en forma de lámina plana; también puede obtenerse por flotación. El horno de balsa está generalmente provisto de recuperadores o regeneradores, donde se calienta el aire de combustión por recuperación de una parte del calor de los humos. El equipo de calentamiento consta de unos inyectores de combustible, los cuales desembocan en el horno en la proximidad de los canales de refractario de llegada del aire de combustión procedente de los dispositivos de recuperación. La llama se desarrolla entre la bóveda y la superficie del baño, y los productos de combustión se evacuan por orificios apropiados. En los hornos de regeneradores, los mismos orificios sirven alternativamente para la introducción del aire caliente y para la salida de los humos, de acuerdo con los ciclos de inversión del horno. En los hornos con recuperadores, los orificios de admisión de aire y los de evacuación de humos son distintos, puesto que la recuperación del calor se efectúa de manera continua a través de paredes de refractario que separan ambos fluidos.

Los hornos de balsa pueden ser de dos tipos: • Hornos de calentamiento en bucle o herradura, en los cuales los orificios de

llegada de aire y de combustible están colocados en uno de los lados menores del rectángulo. La llama se desarrolla en forma de bucle para volver sobre ella misma y evacuarse por canales situados en el mismo lado que los orificios de llegada citados. El recorrido de la llama es pues sensiblemente igual al doble de la longitud de la balsa.

• Hornos de calentamiento transversal, en los cuales los orificios de llegada

están colocados a lo largo de uno de los lados mayores del rectángulo, y los orificios de evacuación están colocados en el lado mayor opuesto, por lo que la llama, en este caso, sólo dispone para su desarrollo de la anchura de la balsa. La característica de la transmisión de calor en este tipo de horno es la preponderancia (como en todos los hornos de reverbero) de la radiación sobre la convección, por las razones siguientes:

• El vidrio es mal conductor del calor, por el contrario, es transparente; por

ello, sólo la radiación puede alcanzar las capas profundas de la masa y, por consiguiente, calentar el baño en todo su espesor y no solamente su superficie.

• Las corrientes de convección son perjudiciales a la calidad del vidrio, ya que

entrañan el riesgo de arrastrar hacia la salida, antes de su fusión completa, partículas de materias primas, que producirían en las piezas fabricadas un defecto o tara que se denomina «grano».



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La llama debe ser: • Caliente: para que su elevada temperatura pueda producir el máximo de

partículas radiantes, y favorecer la evolución del proceso de disociación de los hidrocarburos y demás fenómenos exotérmicos.

• Voluminosa: con objeto de llenar el horno y calentar uniformemente todas

sus partes. • Suave: para poder adaptarse fácilmente a la forma del horno sin causar la

destrucción de determinadas partes del refractario por la acción del dardo de la llama.

• Luminosa: para permitir su penetración por radiación en el baño. • Fácil de regular: para poder producir una atmósfera oxidante o reductora y

prevenir la formación de defectos en el vidrio o un ataque grave del refractario.

13.1.2 Hornos de crisol

Los crisoles, abiertos o cerrados, en los que se efectúa la fusión del vidrio se colocan sobre la solera del horno, cubiertos por una bóveda y normalmente provistos de regeneradores o recuperadores. Contrariamente a los hornos de balsa, los hornos de crisol tienen un régimen



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de producción discontinuo, que comprende las fases siguientes: • Carga de los crisoles. • Fusión. • Extracción del vidrio para fabricación. Los inyectores de combustible colocados próximos a las llegadas del aire producen una llama que se desarrolla entre la bóveda y los crisoles. La posición de esos inyectores varía según la forma, las dimensiones y la tecnología de los hornos, los cuales presentan gran variedad: pueden colocarse en el centro de la solera, en la bóveda o sobre los lados. Lo esencial es que la disposición escogida asegure una mezcla completa y suficientemente rápida del aire y del gas, y produzca una llama suave y envolvente. Por el contrario, no es necesario que la llama sea luminosa, por lo cual el uso del gas natural no afecta la trasferencia de calor, pero facilita totalmente todo el control operativo del sistema. El calentamiento se efectúa principalmente por convección entre la pared de los crisoles y la llama: ésta debe circular alrededor de los crisoles antes de salir por los conductos de evacuación dispuestos generalmente al nivel de la solera. Se produce, además, una radiación de la bóveda del horno a la parte superior de los crisoles. La elección de los quemadores es importante a fin de obtener una llama suave, envolvente y cuya longitud pueda ajustarse perfectamente a las dimensiones de la cámara de combustión, que acostumbra a ser reducida. Con inyectores de llama cónica se efectúa una mezcla suficientemente rápida del gas con el aire frío o caliente, según que el horno esté provisto o no de recuperadores; por otra parte, se puede ajustar con precisión la longitud de la llama, puesto que ese tipo de inyector permite, a caudal constante, variar la velocidad de salida. El gas permite una regulación con un mínimo exceso de aire; desde luego, los crisoles están menos expuestos a los golpes de fuego y su duración de vida es mayor. En este tipo de Hornos, los niveles de eficiciencia térmica son bastante más bajos que los que se alcanzan en los de balsa, debido a que en este caso la transferencia de calor que resulta dominante en el proceso de fusión es la conducción a través de la pared del crisol, recordando que literalmente: el calor por radiación vuela, por conducción fluye y por conducción camina. La limpieza de gases de combustión cuando se emplea gas natural, además de evitar incrustaciones y corrosión a alta temperatura de cenizas funcidas, permite la posibilidad de recuperación de calo para precalentamiento del producto y/o el aire de combustión.



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13.1.3 Operaciones anexas a la fusión

A partir del horno de fusión, el vidrio fundido debidamente escorificado se encuentra en condiciones de ser moldeado para conformar los productos pre-determinados, pero tales condiciones deben mantenerse inalterables entre la descarga del horno y la operación de moldeado. Dichas operaciones se efectúan bien en el interior de un recinto (calentamiento de «feeders», arcas de recocer y decorar, de recalentamiento) o bien al aire libre, por acción directa de la llama sobre el producto (requemado, corte o formas diversas).. • Calentamiento de feeders Los feeders o canales de distribución reciben el vidrio del horno de fusión a 1.300 0C, aproximadamente, y lo dirigen hacia las máquinas automáticas en donde se distribuyen gota a gota. El vidrio debe mantenerse a una temperatura muy precisa, variable según la naturaleza del vidrio y el peso de las piezas a fabricar, comprendida entre 1150 0C y 1 250 0C. La temperatura determina la viscosidad del vidrio y debe regularse con precisión, de forma que el peso de la gota que sale del orificio de colada sea rigurosamente constante. Para obtener este resultado deben repartirse a lo largo de cada canal de distribución una serie de pequeños quemadores individuales. Los quemadores deben alimentarse con la mezcla previa aire-gas, preparada en diferentes tipos de mezcladores. La utilización del gas natural no presenta dificultad alguna en la sustitución de los otros gases ricos, puesto que la obra de refractario caliente actúa como excelente dispositivo de estabilización de llama. Basta regular el dispositivo de mezcla de acuerdo con las características del nuevo gas. El cambio de gas puede hacerse sin parar la producción.

Figura 13.5

Descarga vidrio plano



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• Calentamiento de arcas de recocido El recocido del vidrio consiste en calentar las piezas fabricadas hasta una temperatura próxima a 600 0C, suficiente para destruir las tensiones internas que se hayan producido. Este recalentamiento está seguido de un enfriamiento controlado, lento al principio, luego rápido. Esta operación se realiza corriente-mente en túneles de marcha continua; generalmente hay un arca por máquina, de manera que su carga sea homogénea. La supresión de la mufla simplifica notablemente la combustión en las arcas y mejora sensiblemente el rendimiento térmico; esta mejora puede ser, según los casos, de 25 % a un 50 %. Aun en el caso de que se estime necesario poner las piezas fuera del contacto de los gases de combustión, el gas natural permite eliminar la mufla, puesto que puede emplearse el calentamiento con tubos radiantes, que con un rendimiento ligeramente inferior al calentamiento directo, aunque superior a la mufla, presenta las mismas ventajas que este último. El equipo o conversión de las arcas de recocer al gas natural necesita ciertas precauciones, según el tipo de quemadores empleados. Los quemadores con cono de refractario constituyen un dispositivo de estabilización de llama suficiente. Por el contrario, las rampas transversales de calentamiento, dispuestas bajo el tapiz transportador, tienen que ir provistas de dispositivos de estabilización. En la Figura 13.6 se muestra un quemador de alta velocidad que entrega gases, calientes, limpios y efectivos

Figura 13.6

Quemadores de Gas de alta velocidad

• Calentamiento de arcas de

decorado El decorado se realiza por vitrificación de esmaltes cerámicos colocados sobre el vidrio. Esos esmaltes serán tanto más adherentes cuanto mayor sea la temperatura de su cocción, con la única limitación de la temperatura de reblandecimiento del vidrio. La utilización de la radiación en pantallas radiantes de gas permite, no obstante, sobrepasar ligeramente dicha temperatura, puesto que la decoración cerámica es la única en absorber la energía de radiación,



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mientras que el soporte de vidrio es transparente y no la absorbe. El calentamiento de las arcas de decorar es totalmente análogo al de las arcas de recocer, y puede llevarse a cabo en atmósfera común o en atmósferas separadas. El gas natural, gracias a su pureza, se presta perfectamente para el calentamiento en atmósfera común, ya que los productos de combustión no producen ninguna acción sensible sobre los esmaltes. Como en las arcas de recocer, puede recurrirse siempre al calentamiento por tubos radiantes .

• Recalentamiento de piezas Este tipo de horno sólo existe en vidrierías donde las piezas se fabrican a mano: esta operación es larga y exige calentamientos periódicos para dar a la pieza en fabricación la plasticidad necesaria. Los hornos de recalentamiento son, generalmente, pequeños hornos de forma cilíndrica de eje horizontal abiertos por una extremidad y calentados a una temperatura entre 1.200 y 1.300C, por uno o varios quemadores dispuestos tangencialmente a la pared interior del horno, la cual transmite el calor a las piezas, principalmente por radiación. El empleo de gas natural en estos hornos supone la adaptación del quemador o quemadores. Se trata, generalmente, de quemadores de mezcla previa que se regulan según relación estequiométrica. Cuando esos quemadores ya existían quemando propano o butano, convendrá casi siempre agrandar los orificios de salida o colocar cabezales provistos de dispositivos estabilizadores. • Operaciones al aire libre En estas operaciones se produce un calentamiento localizado e intensivo. La llama ataca directamente una zona generalmente pequeña de la pieza, que debe alcanzar la temperatura de fusión rápidamente, para no afectar las zonas

¿ARTE O CIENCIA?



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próximas con posibles deformaciones. Las características del gas natural, particularmente su velocidad de deflagración, impone ciertas precauciones a los quemadores. Estos deben ajustarse a las dos condiciones siguientes: • Dar una llama estable con una velocidad de derrame de los fluidos elevada;

se caracteriza por la potencia específica, expresada en kcal/h y cm2 de sección del quemador, que, normalmente, es del orden de 10000 kcal/h/cm2

• Producir una llama de la máxima temperatura posible, cuyas dimensiones,

bien definidas, sean constantes para una potencia dada. Para conseguirlo, la regulación de la combustión y la utilización de un dispositivo de estabilización, a base de llamas auxiliares, compensan una temperatura teórica y una velocidad de deflagración ligeramente más débiles. El gas natural resulta el combustible ideal para estas operaciones, debiendo utilizarse Gas Licuado de Petróleo (GLP) si tiene un precio accesible, llegando a gasificar combustibles íquidos en casos extremos, con las dificultades y problemas consiguientes, 13.2 GAS NATURAL EN LA INDUSTRIA CERÁMICA

El desafío para la combustión en los hornos cerámicos es todavía más complicado que en los de vidrio, porque al tener que calentar y efectuar la cocción en sólidos, la forma de transferencia de calor que predomina es la de conducción. Tomando en cuenta que el calor vuela por radiación,



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fluye por convección y camina por conducción, los diseños de hornos y quemadores deben acondicionarse para ―conducir‖ el calor adonde corresponde. 13.2.1 La Industria Cerámica Dada la diversidad de las fabricaciones cerámicas y el complejo carácter fisicoquímico de las operaciones térmicas necesarias, la industria cerámica es una de las actividades en que la importancia del combustible es fundamental. La elección de éste puede tener una influencia decisiva no solamente sobre el precio de coste, sino también sobre la calidad de los productos fabricados. Si no dispone de un comestible limpio, tendrá que optarse por el calentamiento indirecto, con las perdidas termodinámicas correspondientes. La primera materia base de la industria cerámica es la arcilla, producto natural complejo, constituido esencialmente, en proporciones variables, por aluminio y sílice asociadas a cierta cantidad de impurezas, tales como cal, potasio, magnesio, sodio y óxido de hierro. La diferencia entre los productos obtenidos proviene, en parte, de la composición de la arcilla de base y, en parte, de los procesos y temperaturas de cocción. A menudo se precisa una mezcla previa de tierras de diferentes procedencias para mantener constantes las características de un producto.

Los grandes grupos cerámicos son: • Tierras cocidas • Lozas • Gres • Porcelanas

Las composiciones medias de estos productos son las siguientes:

Tierras cocidas Loza Gres Porcelana Pérdida al fuego 15,8 6,9 6,7 0,1 Sílice total 45,0 68,5 67,0 73,3

Alúmina 14,4 20,2 19,7 21,5

Oxido de titanio 0,8 0,5 1,2 0,1 Oxido de hierro 5,1 0,6 1,9 0,3

Cal 15,6 0,6 0,3 1,3

Magnesio 0,7 0,3 0,4 — Potasio 2,2 1,3 1,8

Sodio 0,2 0,6 0,3 3,4

Impurezas varias 0,2 0,5 0,7 1 La gran variedad de productos cerámicos, que van desde la ladrillería a la loza, refractarios, productos artísticos y porcelanas, exigen para cada uno de los productos características de cocción diferentes. Las operaciones térmicas fundamentales exigidas para la fabricación de los diferentes productos son las siguientes:



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Preparación de materias primas Moldeo Secado Cocción Almacenado y Despacho

Operaciones habituales en la industria cerámica 13.2.2 Propiedades de las arcillas Los materiales arcillosos están constituidos por hidróxidos de aluminio y silicio formando capas unidas por puentes de oxígeno que dan lugar a una estructura laminar, en la cual se introducen compuestos de Magnesio, Calcio, materias orgánicas, etc., conformando las arcillas que se presentan e la naturaleza. Las características que influencian directamente el comportamiento d elas arcillas en la industria cerámica son : Plasticidad y Comportamiento Térmico

Plasticidad La plasticidad de un material consiste en su capacidad de deformarse sin ruptura y conservar la nueva forma adoptada cuando desaparece la presión. Las arcillas deben su plasticidad al contenido de agua y cuando lo pierden por efecto del calor, se vuelven duras y frágiles. Esta propiedad está relacionada con el carácter coloidal de las arcillas que se debe a su carácter laminar. Los factores más importantes que influyen en la plasticidad de las arcillas son la siguientes:

Mineralogía Contenido de Agua Grado de Ionización Granulometría Temperatura

La industria cerámica aprovecha esta propiedad de las arcillas, ya que permite el moldeo de piezas muy diversas, que se estailizan y desarrollan resistencia mecánica al calentarse en hornos de diferentes tipos y características adecuadas para cada tipo de producto.



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Comportamiento Térmico

Al someter una pasta cerámica obtenida a partir de una mezcla de arcilla y agua a la acción del calor, tienen unlar una secuencia de reacciones químicas y transformaciones físicas (Cuadro 13.1). Al calentar una pieza cerámica, conformada por arcillas, estos fenómenos se dan primero en la superficie y luego en el interior, ya que existe un gradiente de temperatura entre ellas. Si los cambios de volumen son demasiado rápidos, se producen tensiones en la estructura que dan lugar a grietas y deformaciones, pudiendo llegar a fracturarse y romperse la pieza. Durante el enfriamiento aparecen los mismos problemas pero a la inversa, ya que la temperatura es más elevada en el interior que en la superficie. Los cambios de volumen frente a la temperatura y el tiempo son muy importantes, ya que configuran los perfiles de temperatura para el secado y la cocción de piezas cerámicas.

Cuadro 13.1 Comportamiento frente al calor de diferentes pastas cerámicas



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13.3.3 Características Energéticas La industria cerámica por sus volúmenes de producción y por las características de los procesos de fabricación es una gran consumidora de energía; también por cierto, generalmente, por los bajos niveles de eficiencia en sus operaciones. La mayor parte de energía consumida es térmica, obtenida a partir de combustibles fósiles, representando la energía eléctrica consumida, una pequeña proporción del consumo total. Los combustibles más utilizados en la actualidad son Fuel Oil, Gas Natural y GLP, encontrando eventualmente plantas que utilizan combustibles no convencionales de bajo costo para algunas operaciones. El consumo de energía global de los diversos subsectores viene determinado en parte por su volumen de producción. En general, se puede decir que el principal consumidor energético es el sector de materiales de tierra cocida (60-80%) representada principalmente por la fabricación de ladrillo y otros materiales de construcción. La energía restante se divide entre los otros subsectores, siendo la fabricación de azulejos y pavimentos cerámicos los principales consumidores. En el Cuadro 13.2 se aprecian los consumos específicos de los sub-sectores cerámicos. Cuadro 13.2 Producto Consumo Específico Kcal/Kg Materiales de construcción 400 - 900 de tierra cocida Azulejos y Pavimentos 4.000 – 2.000 Cerámicos Loza 4.000 – 7.000 Porcelana 3.000 – 5.000 Ladrillo Refractarios 3.000 – 4.000 La mayor incidencia en el coste de fabricación de los materiales de construcción de tierra cocida se registra en el coste de la energía, pudiendo



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llegar en algunos casos hasta el 50%. En los otros productos, generalmente representa entre el 15 y 20 %. En el Cuadro 13.3 se presenta el resumen de rendimientos energéticos en algunos Hornos cerámicos: Cuadro 13.3 Tipo de Horno Rendimiento (%) Horno túnel de bizcochos 27.2 para azulejos Horno de Afino para azulejos 17.5 Horno de cocción de ladrillos 56.3 Secador de ladrillos 37 Como puede apreciarse, los niveles de eficiencia son muy bajos, siendo las causas principales de pérdidas la ineficiencia de transferencia de calor al producto. Prácticamente la totalidad del consumo de energía se registra en las operaciones de secado y cocción. Todos los productos a base de arcilla son manufacturados a partir de una pasta obtenida por mezcla, trituración y amasado de tierras. Esta última operación necesita la adición de cierta cantidad de agua. La finalidad del secado es eliminar gran parte de dicha agua, a fin de dar a las piezas manufacturadas una dureza suficiente para permitir su manipulación. Debe realizarse con precaución para evitar deformaciones o fisuras provocadas por una evaporación demasiado rápida. En el curso de los últimos años se han conseguido grandes progresos en la aceleración del secado. Realizado anteriormente al aire libre, durante varios días, actualmente se efectúa en secaderos, más o menos mecanizados, en tiempos que pueden ser inferiores a una hora. Las técnicas de construcción de los secadores son de una gran variedad: cámaras fijas con alimentación por vagonetas o por transportadores de jaulas, túneles continuos, etc. Sus características vienen esencialmente determinadas en función de las dimensiones de las piezas, del tonelaje y del circuito de los productos en la fábrica.. En el Capítulo X se trata extensamente todos los aspectos vinculados con el secado y los tipos de secadores.



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Figura 13.7 Secador de Materias Primas

13.2.4 Hornos cerámicos

Existen varios tipos de hornos para cocción de materiales cerámicos, pero casi todos los conocidos han sido concebidos, diseñados y construidos bajo conceptos técnicamente equivocados y orientados al beneficio del proveedor, antes que del usuario, representando generalmente grandes inversiones y elevados costos operativos, para conseguir rendimientos y eficiencias muy bajas, para posteriormente continuar con modificaciones interminables, sin resultados significativos. La ecuación que explica estos resultados resulta muy simple: Adecuar los hornos a las limitaciones y problemas en la combustión conviene a los vendedores de equipos, servicios, repuestos y los propios combustibles. Optimizar la combustión y adecuarla a las características de los materiales y procesos cerámicos conviene a los industriales. En términos generales, los tipos de hornos más utilizados podemos clasificarlos solamente en dos tipos :

Hornos con materiales estáticos en los cuales se mueve el Aporte Térmico

Aporte Técnico Estacionario con movimiento de los materiales en

proceso. a) Hornos de fuego móvil Este tipo de hornos, incluyendo el más conocido y difundido Horno Hoffman se desarrolló en el siglo XIX en Europa y en la primera mitad del siglo XX en



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América, por lo cual resulta explicable que hayan tenido que pensar en poner los materiales estáticos y hacer circular la llama haciendo el trabajo, seguramente con muy bajas eficiencias y sin muchas exigencias de calidad, ya que se utilizaban principalmente para efectuar la cocción de materiales de construcción de tierra. Quemando carbón con tecnología artesanal, la llama llegaba a varios de los compartimientos antes de convertirse parcialmente en gases de combustión, produciendo ladrillos medio cocidos, calentamiento y contaminación ambiental. (Figura 13.8).

Figura 13.8

Hornos Tipo Hoffman

Al surgir el petróleo después de la II Guerra Mundial, estos hornos comenzaron a cambiar y mejorar.

Inicialmente fueron circulares, pero se volvieron rectos y alargados en uno o dos pasos, teniendo que ingresar el personal a retirar los carros con material, mientras los gases, con inquemados y gases tóxicos, seguían circulando.

Las llamas de petróleo atomizado comenzaron a acortar las llamas y mejorar el control del proceso.

Se comenzaron a desplazar las vagonetas entre compartimientos, con sistemas mecánicas exteriores de desplazamiento.

Se comenzaron a analizar gases y controlar la combustión. Al mantenerse todavía el petróleo en 2 o 3 dólares el barril, la cerámica más exigente en control de calidad se producía en hornos estacionarios con baja eficiencia y en algunos casos, calentamiento indirecto. La crisis del petróleo y elevación de precios de la energía, al desencadenar la conservación energética condenó a todos estos hornos a muerte, debido a que



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su fundamento original siempre estuvo equivocado, porque mientras viajan la llama y los gases de combustión a velocidades de 5 m/seg el calor viaja de la superficie al interior de las piezas en m/min. Progresivamente se comenzó a recircular los gases o el calor a los hornos, se mejoró el control de circulación de los gases, instalando dampers en las chimeneas, etc. frenando la velocidad de los gases de combustión y desplazando los materiales en proceso, hasta desembocar finalmente en los Hornos Túnel, que por cierto ya existían.. b) Horno túnel El horno túnel se presta a una mayor diversificación de los equipos de calentamiento; sin embargo, teniendo en cuenta la importancia de la carga, su densidad y las secciones del horno, las condiciones equivalen a las del horno Hoffmann, puesto que se dispone de poco espacio para desarrollar la combustión durante la carga entre los empilados de productos. Los primeros hornos túnel se equiparon pues igual que los hornos Hoffmann, introduciendo el combustible por el techo, reforzando la acción por medio de quemadores laterales, situados sobre las paredes laterales del horno, con el fin de mejorar el calentamiento de las partes inferiores. En realidad se podría decir que se produce una metamorfosis combinando amos tipos de horno. Poco a poco, los simples inyectores de gas de los hornos Hoffmann se han ido sustituyendo por otros, de combustión más racional, con alimentación separada de aire y gas, de forma que pueda modelarse la llama y extenderla por toda la altura del horno. En algunos casos, se ha efectuado un reciclado de los humos con el fin de retardar la combustión y facilitar el calentamiento de la parte baja. También se han sustituido con indiscutible ventaja los quemadores ordinarios por quemadores de chorro «jet». El registro de temperaturas en diferentes puntos de la carga, efectuada sobre los mismos hornos, equipados sucesivamente con diferentes tipos de quemadores, han demostrado la posible mejora de la isotermia del horno con beneficio directo del consumo de gas. Igualando la temperatura de la parte baja con la parte superior de la carga, es posible reducir el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de cocción en toda la carga, que se traduce en un aumento de la producción y en una disminución del consumo específico de gas. Se produce, por otra parte, una mejora sensible de la calidad, que se manifiesta particularmente en las tejas, cuya coloración queda perfectamente uniforme. La incorporación del gas natural a precios accesibles en el siglo XX ya produce una transformación total de la tecnología, no solamente en los Hornos ladrilleros, sino en toda la industria cerámica, al facilitar totalmente todo el trabajo de los hornos, pero con un concepto diferente. En los Hornos Tipo Túnel, al conseguirse combustión completa y lograrse un excelente control de la atmósfera interna de los hornos con control de la



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presión, se logra estabilizar el fuego y los que se mueven en vagonetas son los productos y/o piezas en proceso. En realidad esta tecnología ya se justificaba con petróleo bien atomizado en hornos de productos cerámicos tales como azulejos, pisos y mayólicas, pero con el nuevo desarrollo tecnológico y la disponibilidad de gas limpio, barato y eficiente, también los hornos ladrilleros se transforman y modernizan, automatizando su funcionamiento (Figura 13.9). El adecuado control de la combustión permite reponer el calor consumido por el proceso en cada compartimiento, en función del trabajo que realiza; precalentamiento, secado, calentamiento, cocción, estabilización y enfriamiento.

Figura 13.9

Hornos tipo Túnel

La cocción de la decoración se efectúa en hornos fijos o en hornos túnel muflados de pequeña sección y de ciclo rápido, cuya marcha y conducción está enteramente automatizada. El calentamiento de estos hornos está realizado por un pequeño numero de quemadores. Los productos de la combustión circulan entre la pared exterior y la mufla que constituye la cámara de combustión: a su salida se evacuan a la atmósfera después de pasar por la zona de introducción de piezas, en la que aseguran su precalentamiento. La recuperación así realizada contribuye a mejorar el rendimiento global del horno. (Figura 13.10)



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Figura 13.10

Hornos para Cerámica

Los hornos que hemos citado son los tipos más corrientes en la industria cerámica, pero existen otros tipos, algunos de los cuales son derivados de los anteriores: • Horno de cámara con solera

móvil • Horno de zig-zag y derivados

del Hoffmann • Horno de pasaje de baja y alta sección • Horno túnel, muflado y semimuflado • Horno de losetas muflado y de llama directa • Horno de rodillos • Horno de bandejas • Horno rotativo para fusión y fritado de esmaltes • Horno de balsa para fusión y fritado de esmaltes.

En todos ellos es posible y fácil su transformación a gas natural. 14.5.5 Análisis de Casos Prácticos



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A) HORNO TÚNEL DE 300 T/DÍA DE LADRILLOS OPERANDO CON GAS NATURAL Longitud del horno: 102 m Anchura útil : 3,42 m Altura útil : 1,95 m Capacidad : 32 vagonetas Tipo de paso de cada vagoneta . 21 a 25 h, es decir, avance medio vagón cada 20 min aprox. Producción diaria : variable de 280 a 300 t, según la densidad de los productos, es decir: 12 t/h, aprox. Ver esquema (Figura 13.11).

Figura 13.11 Esquema del horno túnel cerámico

Su particularidad reside en la construcción de la bóveda, muy ligera, plana y suspendida, empleando ladrillos refractarios ligeros, de densidad inferior a 1, lo que ha permitido establecer una estructura metálica de soporte con perfiles laminados normales de pequeña sección. Además, el buen aislamiento térmico de esos ladrillos (22 cm de espesor en la zona de cocción) permite obtener un balance térmico muy satisfactorio. En la zona de precalentamiento de la carga se instalaron 18 quemadores de impulsión, con premezcla total aire-gas, con una potencia nominal de 1 850 termias/h. La velocidad de salida de los productos de combustión es tal (120 m/s) que la subida de temperatura, tan delicada entre los 300 0C y los 700 0C, puede efectuarse rápidamente gracias a la excelente homogeneización de la temperatura entre la solera y la bóveda del horno, contribuyendo de esta manera a la obtención de productos de un color completamente uniforme. En la zona de cocción se han dispuesto verticalmente, en la bóveda, 12 hileras de 4 quemadores (48 en total) alimentados también con aire pulsado, que



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permiten una combustión prácticamente sin llama visible y un perfecto equilibrio de la temperatura en todos los puntos de la zona de cocción. Los 48 quemado-res están repartidos en 6 zonas comprendiendo dos líneas de 4 quemadores cada una, regulada cada zona por un regulador de temperatura en conexión con unas electroválvulas de alimentación de gas. De esta forma, la cocción puede garantizarse con gran precisión, y progresivamente, entre 800 y 955 0C. En la Figura 13.12 se detalla esquemáticamente este tipo de quemadores verticales. En la zona de enfriamiento, donde se trata de llevar los productos a la temperatura ambiente, recuperando al máximo el calor que contienen, sin someterlos a variaciones brutales de temperatura, el aire que circula por el interior del horno es tomado en la bóveda por dos ventiladores y enviado a los quemadores como comburente y parte al secadero. El consumo específico de calor no sobrepasa las 485 termias/t para el conjunto de operaciones de la fabricación, secado y cocción. La mano de obra se reduce a 15 hombres repartidos en tres turnos. Toda la preparación de tierras, amasado, prensado y secado está completamente automatizada.

Figura 13.12 Quemador C.E.R.I.C.



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B) Fabricación de azulejos decorados Se trata de la fabricación de azulejos de loza decorados y en relieve a escala industrial. Se producen 80 000 m2 de azulejos por mes, de una gama muy variada, comprendiendo unos 600 modelos de una constante regularidad de dimensiones (108 x 108 mm) y de buena calidad. La cocción del bizcocho se efectúa en un horno túnel normal de llama directa, de una longitud de 90 m, en el cual se calienta progresivamente hasta alrededor de los 1 250 0C, donde sufren la transformación termoquímica necesaria, saliendo con la blancura conveniente. Métodos de control estadístico permiten mantener una calidad elevada del bizcocho, eliminando todo defecto. Los azulejos lisos se dirigen hacia la decoración, los de relieve directamente al esmaltado. La cocción de las piezas esmaltadas se realiza con dos hornos muflados tipo Dressler, asegurando el calentamiento protegido de los gases de combustión (Figura 13.13). La temperatura de cocción es de 1 070 0C, y las piezas pasan sucesivamente a una antecámara de entrada y luego a la zona de preca-lentamiento, equipada de un reciclado de la atmósfera a fin de realizar la homogeneización de temperaturas entre la parte alta y baja de la carga.

Después de la cocción pasan a una zona de enfriamiento equipada como el horno de bizcocho: una zona de enfriamiento rápido, una zona de enfriamiento lento y una zona de enfriamiento normal. La zona de cocción está equipada de quemadores de pre-mezcla gas-aire inducido, alimentados a una presión de gas de 1,5 kg/cm2 efectivos. Los quemadores están reunidos en grupos y sometidos a la acción de un regulador neumático de temperatura.



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Figura 13.13

Horno continuo tipo Dressler El conjunto de los aparatos de control y de regulación, así como los órganos de mando de los motores, están reunidos en un armario que agrupa todas las funciones, y permite, por medio de esquemas sinópticos, situar cada uno de los aparatos en marcha.



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CAPITULO 14

EL USO DEL GAS NATURAL EN MOTORES ENDOTÉRMICOS

14.1 MÁQUINAS TÉRMICAS Y MOTORES ENDOTÉRMICOS

Todo el universo es materia y energía que no se crean ni se destruyen y solo se transforman. La energía es la materia en movimiento y las máquinas térmicas son

dispositivos que transforman energía térmica en trabajo.

Las máquinas térmicas pueden clasificarse según el sentido de transferencia

de energía:

Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al

atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.

Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica



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En consecuencia. los motores térmicos que nos interesan son máquinas que

tienen por objeto transformar la energía calorífica procedente de la energía

química almacenada en los combustibles y liberada por un proceso de

combustión, en energía mecánica directamente utilizable.

Los motores térmicos son de combustión externa, cuando ésta se verifica fuera

del fluido activo; de combustión interna, o más específicamente endotérmicos,

cuando el combustible es quemado en el mismo fluido, de manera que vienen

también a ser parte de éste, los productos de la combustión. En otros términos,

son de combustión externa, los motores en los cuales el calor es transferido al

fluido a través de las paredes de una caldera (máquina de vapor) , o de otros

tipos de intercambiadores (Figura 15.9); son endotérmicos los motores en los

cuales la combustión se realiza en el interior del fluido operante, el cual está,

por tanto, inicialmente constituido por combustible y comburente, que

experimenta después una serie de transformaciones , a consecuencia del

proceso fisicoquímico de combustión (Figura 15.10).

Figura 14.1

Máquina de Vapor : Motor de

combustión externa

Figura 14.2



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Turbina de Gas: Motor de Combustión Interna o Endotérmico

14.2 NUEVAS TECNOLOGÍAS PARA EL USO DEL GAS NATURAL EN

AUTOMOTORES

El diferencial de precios existente a favor del GNV respecto a las gasolinas (1/3) y el

GLP (1/2) ha resultado técnicamente contraproducente en el campo automotor. La conversión de motores diseñados para gasolina al uso del gas natural sin la adaptación

tecnológica adecuada disminuye el ahorro en combustible y los problemas de

mantenimiento terminan por convertirlo en una inversión desafortunada. La competencia de la conversión al GLP, química y termodinámicamente más parecido a

la gasolina, ha conseguido mejores resultados, obligando a los empresarios y técnicos

vinculados al GNV a cambiar de estrategia, desarrollando un notable esfuerzo tecnológico que resulta importante analizar, para evaluar sus resultados y proyección

futura.

14.2.1 Adaptación del Gas Natural en los Ciclos Otto y Diesel

Figura 14.3

Concepción funcional de los Ciclos Diesel y

Otto en el interior de los cilindros.

Como puede apreciarse en la Figura 14.3, existen grandes diferencias entre los ciclos

termodinámicos y funcionamiento de motores con encendido por bujía (Otto) y los que funcionan con inyectores (Diesel).

En los motores gasolineros, también llamados de explosión, se comprime en los cilindros una mezcla del combustible vaporizado y aire hasta el final de la carrera del

pistón, sincronizada con la chispa producida por bujía, produciéndose la combustión y

consiguiente expansión violenta de los gases (explosión) que desplaza el pistón, generando el movimiento que se transmite a través del árbol de levas a la transmisión.

Los motores endotérmicos transforman en energía mecánica, esto es, en trabajo

útil, la energía química de los combustibles, liberada como calor, en procesos

de combustión. La conversión de la energía mecánica en trabajo, en forma

continua y eficiente, involucra el desarrollo de ciclos termodinámicos



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La eficiencia del motor depende de la relación de compresión que resulta limitada por la capacidad antidetonante del combustible utilizado, lo que se mide como Indice de

Octano. Termodinámicamente, el ciclo Otto se conforma por los siguientes tramos:

0 – 1 y 1 – 0 : carga y descarga (isobárico)

1 – 2 : compresión (adiabatico)

2 – 3 : combustión (isócoro)

3 – 4 : expansión

(adiabático)

Figura 14.4

Ciclo Otto teórico

En el ciclo Diesel, solamente se comprime aire en el interior del cilindro, lo que permite mayores relaciones de compresión; al llegar el pistón al Punto Máximo Superior, el aire

a elevadas presiones y temperaturas, recibe la inyección del combustible; la eficiencia

depende en este caso de la capacidad del combustible de quemarse sin carbonizar el inyector y antes de impactar con las paredes del cilindro; se mide como el Indice de

Cetano.

Figura 14.5

Ciclo Diesel Teórico



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Termodinámicamente el Ciclo Diesel está conformado por los siguientes tramos:

0 – 1 y 1 – 0 : carga y descarga (isobárico)

1 – 2 : compresión (adiabatico)

2 – 3 : combustión (isobárico)

3 – 4 : expansión (adiabático)

Figura 14.6

Molécula de Metano

El Gas Natural, estando conformado en gran proporción por Metano, que constituye una

molécula químicamente perfecta, resultará difícil de encender y fácil de quemar, por su

máxima relación Carbono/Hidrógeno.

Consecuentemente, el gas natural resultará un combustible ideal para motores

gasolineros, con un índice de octano equivalente a unos 120 octanos; contrariamente, al inyectarse en un motor diesel, no se producirá la ignición.

14.2.2 Gas Natural en Motores diseñados para Gasolina

La utilización de gas natural en un motor diseñado para sus propias características

permite alcanzar potencias similares y mejores eficiencias, con mejores condiciones de

mantenimiento, limpieza y control ambiental, pero comercialmente resulta complicada su distribución por circunstancias logísticas y técnicas:

Un motor dedicado para gas natural debe tener un diseño diferente de cilindros y un sistema especial de lubricación, debido a las características de mayor

volumen específico de gases de combustión y limpieza perfecta del gas natural,



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sin la película que forman la gasolina, e inclusive el GLP, sobre las paredes internas del motor.

La disponibilidad limitada de estaciones de servicio de gas natural y la menor autonomía que permite la capacidad de almacenamiento, establece la

conveniencia de tener un motor mixto que también pueda funcionar con gasolina

(Figura 14.7).

Figura 14.7

El costo de obtener

mayor autonomía con

gas natural sin desarrollo

tecnológico

La condición de mixto representa condicionar el motor a las limitaciones de

relación de compresión de la gasolina y obligatoriamente arrancar y permanecer algunos minutos operando con gasolina, para mantener la película protectora

aceitosa sobre las paredes, para favorecer su adecuada lubricación.

Siendo el gas natural difícil de encender y fácil de quemar, consigue mantener su

máximo poder calorífico hasta el punto de explosión y la cinética de su combustión es más rápida, lo que provoca que la parte alta del motor (culata)

trabaje mas caliente, lo que podría dañar las bujías; resulta necesario utilizar las

llamadas ―bujías frías‖ que soportan mayores temperaturas.

La limpieza del gas natural no resulta favorable en todos los aspectos; la menor protección de lubricación de los asientos de válvulas produce su daño por

corrosión acelerada, por favorecerse tales reacciones con el oxígeno debido a la

mayor temperatura mencionada.

Todos los factores mencionados permiten afirmar que el inadecuado manejo técnico

del uso del gas natural en automotores ha determinado la existencia de un importante potencial de desarrollo tecnológico en este campo.



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14.2.3 Gas Natural en Automotores Diesel

Un motor Diesel no puede funcionar sólo con gas natural simplemente porque no

enciende. Sin embargo, existen alternativas técnicas que podrían permitir su operación :

Operar con la inyección simultánea de gas natural y una pequeña proporción de Diesel 2 u otro destilado medio (10 – 20 %) . Al encender el diesel provoca la

ignición inmediata del gas natural, produciéndose la expansión isobárica.

El diseño del arreglo mecánico adecuado puede permitir desarrollar el proceso

en forma adecuada; la eficiencia del sistema podría resultar mejorado, respecto al

motor original; sin, embargo, la disponibilidad de tanques para ambos

combustibles establece condiciones de mayor inercia por peso y exige disponibilidad

de espacio.

Figura 14.8

Motores Diesel con Gas Natural

Otra posibilidad que podría considerarse es la implementación de un sistema de

chispa (bujía) que actúe en forma similar al motor gasolinero, pero termodinámicamente podría resultar algo complicado, Por otro lado, también se

tendría que compensar la capacidad lubricante que se afectaría por la limpieza

del gas natural; es probable que tenga que considerarse el arranque inicial y algunos minutos diarios de operación con diesel, lo que complica el proyecto.

La conversión que se está efectuando actualmente considera la conversión del ciclo diesel al Otto, cambiando la mitad o todo el sistema de cilindros y

mecanismos de control; el cambio involucra incorporar la opción gasolina, por

el problema de lubricación comentado.

En térmicos generales, para las capacidades y tamaños de automotores diesel, difícilmente resultará económicamente viable la conversión de motores diesel al gas

natural en este sector, constituyendo también un campo aparente para investigación aplicada.



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14.2.4 Conversión GNV de 5ta. Generación

Las ventajas técnicas que proporciona la conversión de motores gasolineros a GLP han

procurado compensarse mediante el desarrollo de nuevas tecnologías de aplicación del GNV que permiten disminuir las pérdidas de potencia y mantener los rendimientos

originales. Esta nueva tecnología resulta equivalente a los modernos sistemas de control

sincronizado de válvulas variables inteligentes (VVTI), llamado para el caso del GNV de quinta generación.

Este nuevo sistema de inyección de GNV de 5ta generación ya representa una

realidad y ha mejorado considerablemente el trabajo de motores gasolineros

con GNV. A diferencia de los equipos convencionales que aspiran el gas por el

múltiple de admisión mediante la instalación de un mezclador, este sistema

inyecta el volumen justo de gas a presión a cada cilindro en forma secuencial.

Consta de una rampa de inyectores independiente que alimenta al motor con el

gas a presión, una Unidad de Mando que gestiona la inyección de gas, un

display para conmutar ambos combustibles, un reductor de alta tecnología,

sensores y accesorios de instalación.

Figura 14.9

La misma diferencia que existe entre los motores carburados y los equipados

con inyección electrónica, existe entre los anteriores sistemas aspirados y los

de 5ta generación (Sistemas de inyección Secuencial). Esto se debe a que la

unidad de Mando de este equipo "observa" los mismos sensores que la Unidad

de mando original del auto que gestiona la inyección de gasolina y, gracias a

esto, los cálculos de volumen de gas procesados por la nueva Unidad de

Mando de gas logran ser prácticamente perfectos, obteniendo así resultados de

potencia y torque similares a los obtenidos con nafta.



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Los sistemas aspirados poseen la desventaja de provocar la mezcla de gas y

aire en el múltiple de admisión, hecho que posibilita la existencia de

"contraexplosiones" y probables roturas.

Este sistema no requiere abrir la Unidad de Mando original del auto ni la

inserción de Chips en ella, con la consecuente disminución de fallas.

Los antiguos sistemas emulan la sonda de gases "engañando" a la Unidad de

Mando original, ya sea mediante la modificación del programa o la insercion de

emuladores. De esta manera, la gran ventaja que constituye un sistema a lazo

cerrado que corrige en forma permanente la cantidad de combustible inyectado

al motor se pierde, emitiendo al exterior gas sin quemar o provocando una

combustión pobre en detrimento de la potencia del motor.

El sistema de inyección secuencial mantiene el lazo cerrado original del auto,

apoyándose en la información que genera la Unidad de Mando original para

efectuar sus propios cálculos, optimizando así la combustión y mejorando el

tiempo de vida útil del motor.

Este revolucionario sistema era propiedad de grandes empresas europeas de

desarrollo automotriz, debiendo importar los equipos en forma obligada y

dificultando los trabajos a la hora de realizar ajustes y mantenimiento. El

desarrollo tecnológico en talleres latinoamericanos está consiguiendo

resultados espectaculares, eliminando la dependencia tecnológica y

disminuyendo los costos de conversión, por utilizar tecnología y piezas de

fabricación local.



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La inyección secuencial también se aplica a los motores que se convierten a GLP, pero representan una ventaja menor, porque mientras en el caso del GNV tienen hasta un

20% de pérdidas por compensar, en el caso del GLP solamente tienen por compensar un

5%; sin embargo, el incremento del costo de la instalación del nuevo sistema representa para ambos un diferencial comparativo menor: Para GNV el incremento es de US$

1.000 por unidad, mientras que para el GNV alcanza en promedio US$ 800.

14.2.5 Almacenamiento de GNV por Adsorción

La otra gran desventaja del GNV respecto a la gasolina y el GLP, es la mnor autonomía de los vehículos por capacidad de almacenamiento, para compensarla se ha desarrollado

la Tecnología de Adsorción.

Esta nueva tecnología , intermedia entre el GNC y el GNL, utiliza el fenómeno físico

de Adsorción de gases sobre superficies sólidas para almacenar la misma cantidad de

Gas Natural a menores presiones que el GNC (60-80 Bares) o prácticamente triplicar

la capacidad de almacenamiento a las presiones tradicionales (200 – 220 Bares).

La mayor capacidad de almacenamiento de un material ocupando el mismo

volumen aparentemente contradice las leyes físicas y la Ecuación de Estado,

pero se explica porque la adsorción de gases sobre la superficie sólida provoca

la incipiente condensación en microgotas del gas. Al haber un cambio parcial

de estado físico, se comprende que pueda disponerse de mayor cantidad de

masa en el mismo volumen (Figura 14.10).

Figura 14.10

Proceso físico de Adsorción

La Adsorción es la adhesión de moléculas de líquidos, gases y sustancias

disueltas a la superficie de un sólido. La capacidad de adsorción de un sólido

depende de su conformación química y su estructura física, resultando

determinante la disponibilidad de la mayor superficie de contacto y la

naturaleza del sólido que favorezca la adsorción. Un ejemplo típico en este

caso resulta el carbón activado, que presenta una gran superficie específica de

contacto por su naturaleza porosa, ubicado en el interior de un refrigerador



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casero para eliminar los olores; los gases que producen los malos olores son

adsorbidos en el interior de los poros del carbón activado.

Si nos imaginamos un tanque convencional de Gas Natural Comprimido,

mientras mayor sea la presión, aumentará la cantidad de masa almacenada en

el tanque, resultando el factor limitante las características físicas del tanque y la

válvula de cierre. La adición de un material microporoso, tal como carbón

activado, en el interior del tanque, permitirá almacenar mayor masa de gas en

el mismo tanque, a la misma presión, o almacenar la misma masa de gas en el

tanque, a menor presión.

Para nuestro caso en análisis, estas posibilidades podrían representar las siguientes

ventajas:

Disminuir los costos de tanques de almacenamiento, aumentar la disponibilidad de espacio y/o aumentar la autonomía de vehículos convertidos al GNV.

Incorporar vehículos pequeños de 3 y 4 llantas (motos, triciclos y ticos) al mercado del GNV al aligerar el peso y disminuir los costos de conversión.

Disminuir el costo de inversión y requerimiento de espacio para Estaciones de GNV.

Igualar o mejorar la capacidad de almacenamiento para transporte de GNL, al utilizar camiones más livianos que los criogénicos, permitiendo mayor aprovechamiento del límite de peso en carreteras (45 TM en el Perú) para carga útil.

Disminuir radicalmente los costos de inversión en las plantas de acondicionamiento de gas, respecto a las mayores presiones de GNC y las plantas criogénicas.

Facilitar y abaratar las instalaciones para recepción y acondicionamiento del gas natural a las condiciones requeridas en plantas industriales.

Figura 14.11

La tecnología de adsorción permite ampliar

el espectro de aplicaciones de GNV



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14.3 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE

TURBINAS DE GAS DEL USO DE DIESEL 2 AL GAS NATURAL

Las turbinas de gas de ciclo simple a presión constante han constituido tradicionalmente

la mejor opción para disponer de capacidad de generación termoeléctrica con niveles

moderados de inversión y en plazos relativamente cortos, aunque con bajos niveles de eficiencia, utilizando combustibles líquidos. Al surgir la disponibilidad de gas natural y

elevarse los precios del petróleo, la conversión resulta obligatoria, pero generalmente se

sustenta el cambio de combustible en razón de su diferencial de precios, conformándose con una ligera disminución de potencia y eficiencia, lo cual resulta injustificado, porque

las ventajas termodinámicas y funcionales del empleo del gas natural respecto al diesel,

representan un importante potencial de optimización adicional que puede y debe aprovecharse.

Las turbinas de gas son motores endotérmicos que convierten la energía química de la

combustión continua desarrollada en las cámaras de combustión y aplicada al aire proveniente de un compresor centrífugo, para disponer de un flujo que al impactar con

los álabes de la turbina provoque el salto térmico que convertido en energía mecánica

produzca la rotación del eje que se convertirá en energía cinética en el compresor y energía eléctrica en el generador.

El ciclo termodinámico que cumplen las turbinas de gas es el ciclo Brayton. En la

Figura 14.12 podemos apreciar los componentes y los Diagramas Presión – Volumen

(P-V) y Temperatura – Entropía (T-S) de una Turbina de Ciclo Simple.

Figura 14.12



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Las transformaciones termodinámicas las podemos analizar en los Diagramas Presión –Volumen (P-V) y Temperatura – Entropía (T-S) con el propósito de establecer los

factores diferenciales entre la utilización de Diesel y Gas Natural en la turbina:

En el Diagrama PV: El aire ingresa al sistema a presión atmosférica y es comprimido

adiabáticamente (1- 2); en la cámara de combustión se introduce una determinada

cantidad de calor (Q1) a presión constante (2-3); La expansión se produce en los álabes de la turbina (3-4) y finalmente, los gases se descargan al exterior, pudiendo volver a la

condición inicial con otras combinaciones (4-1). Tomando en cuenta la definición del

trabajo realizado por la turbina ( dL = P dV), representado en la figura por el área 1-2-3-4, el trabajo total es tanto mayor cuando se alarga la línea a presión constante 2-3, al

aumentar el volumen con el calor introducido en esta etapa, incrementándose el salto

entálpico al producirse la expansión del flujo en los álabes de la turbina.

En el Diagrama TS: En el proceso isoentrópico que se efectúa en el compresor (1-2) se

incrementa presión y consecuentemente temperatura; en la cámara de combustión (2-3)

se introduce calor a presión constante, llegando al máximo contenido entálpico. En la

expansión isoentrópica que se aplica para impulsión de los álabes de la turbina (3-4) se

convertirá calor en trabajo en forma proporcional al salto entálpico que se traduce en giro del eje, saliendo el calor restante con los gases residuales, desperdiciándose en el

ambiente o aprovechándose para generación posterior de vapor en un ciclo combinado.

El calor aplicado corresponde al área 1-2-3-4 y podría incrementarse para aumentar el salto entálpico del flujo en la medida que se aumente la temperatura , alargando 3-4 o

efectuando el ciclo a mayores presiones ( dQ= T dS).

Al efectuar la conversión del Diesel 2 por Gas Natural en una Turbina de Gas, podemos

establecer un importante potencial de optimización de su capacidad y rendimiento, basados en los siguientes factores:

a) Eliminación total de pérdidas por inquemados

Utilizando Diesel 2 resulta asumible la presencia de inquemados sólidos, en razón de la necesidad de atomización y la imperfección de la combustión en el escaso volumen útil

y limitado tiempo de combustión de las pequeñas cámaras de combustión tubulares. La

facilidad de manejo y velocidad de combustión del gas natural en las condiciones oxidantes de la combustión de las cámaras de combustión de las turbinas de gas,

aseguran combustión completa.

b) Disminución de pérdidas por radiación y convección

Al atomizar el Diesel 2 y producirse la disociación de sus componentes, las pártículas de coque se miden en micras; la disociación del gas natural produce partículas de coque

con tamaños medidos en Angstrons; esta diferencia se traduce en menores emisividades

de llama para el gas natural. Tomando en cuenta la Ecuación de Transferencia de Calor por radiación : Qr = m. e. (dt)

4, el calor transferido resultará menor, disminuyendo la

temperatura del cuerpo de la turbina, y consiguientemente, menores pérdidas por

radiación y convección al ambiente.



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c) Incremento de la Entalpía del flujo de gases que impactan en los álabes de

la turbina

Al sustituir Diesel 2 por Gas natural se puede lograr un incremento de la Entalpía en el

ingreso a la turbina, por los siguientes factores:

Al no requerirse la atomización en el caso de Gas Natural, la disponibilidad de

volumen útil en la cámara es mayor, pudiéndose quemar mayor proporción de combustible y generar mayor disponibilidad de calor.

La energía de la presión de inyección del Diesel 2 se consume en el trabajo de atomización; la presión del gas natural, asegurando condiciones de mezcla y

combustión completa mediante el difusor y el torbellinador, pueden permitir un sustantivo incremento de presión que incremente la entalpía (H = U + PV).

Al disponer de mayor disponibilidad de calor, para mantener la temperatura dentro de los límites establecidos por la metalurgia de los álabes de la turbina,

podría atemperarse los gases con la inyección de agua que al vaporizarse

absorberá el calor latente de vaporización (540 Kcal/Kg), incrementando la masa disponible y Entalpía total de los gases.

c) Estabilidad del frente de llama y control operativo del sistema

A operar con Diesel 2, las variaciones del tamaño de gotas, tiempo de atomización, encendido y combustión, producirán inevitablemente cierto nivel de inestabilidad del

frente de llama que se traducirá en tendencia periódica al alargamiento de llama y

retrollama, obligando a mantener un margen de seguridad térmica relativamente amplio para proteger los álabes de sobrecalentamiento.

Al disponer de condiciones perfectamente estables con la combustión del gas natural,

estrechando la longitud de onda de la variación de temperaturas en los gases, podrá

incrementarse la misma, trabajando a temperaturas más cercanas al límite, mejorando las condiciones del salto entálpico.

e) Mantenimiento y Ecología

La limpieza y mejor estabilidad térmica de los gases que impactan sobre los

álabes de la turbina operando con gas natural se traducirán en periodos más

largos de operación de los álabes y cumplimiento de los niveles de emisiones

exigidos por la normas de control ambiental.



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Figura 14.13

Turbina de Gas de presión constante y ciclo simple.

Basados en el análisis termodinámico efectuado, podemos establecer los siguientes

puntos:

El Gas Natural resulta el combustible ideal para operación de una Turbina de

Gas.

Al sustituir Diesel 2 por Gas Natural debe conseguirse importantes niveles de

incremento de potencia y rendimiento en turbinas de gas.

Para disponer de niveles aceptables de rendimiento de la turbina de gas se debe disponer de compresores y turbinas de alto rendimiento, con álabes que soporten

altos requerimientos mecánicos y térmicos.

Siendo limitada la eficiencia máxima alcanzable de las turbinas de gas,

necesariamente tendrán que considerarse como parte de ciclos combinados.

La sustitución de Diesel 2 por Gas natural, además de las ventajas técnicas y

económicas, representa una importante opción ecológica.



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14.3 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE MOTORES ENDOTÉRMICOS AL GAS NATURAL

La conversión de la energía química almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles involucra una primera transformación en energía térmica, al producirse la reacción de combustión. El calor contenido en los gases de combustión debe traducirse en energía mecánica en forma de movimiento de un eje que permita a su vez accionar automotores o generar energía eléctrica en un alternador. Los motores de combustión interna efectúan este trabajo utilizando diversos diseños y accionamientos mecánicos, para los cuales resultará muy conveniente la menor presencia posible de impurezas, por lo cual la disponibilidad de gas natural representa una oportunidad económica y ecológica ineludible en este campo. La conversión de motores del ciclo Otto no representa mayor problema técnico porque el gas natural resulta equivalente a una gasolina de 125 octanos, debido a la excelente capacidad antidetonante del metano, no teniendo problemas para encender por la presencia de la chispa; en el caso de motores diesel, las dificultades técnicas son mayores, pero la conversión sigue siendo atractiva, por lo que resultará verdaderamente importante analizar tales proyectos desde el punto de vista termodinámico.



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14.4 GAS NATURAL Y EL CICLO DIESEL

La diferencia fundamental entre los motores gasolineros y diesel es que en el primero

se comprime la mezcla combustible en el cilindro y el final de la carrera del pistón

coincide con la chispa de encendido, produciéndose la explosión a volumen constante, en el Diesel se comprime solamente aire y al final de la carrera del pistón no hay

chispa; la inyección del combustible se enciende al ponerse en contacto con el aire a

presiones y temperaturas elevadas, siendo el Indice de Cetano el parámetro que establece la velocidad de ignición, correspondiendo al diesel un valor mayor al 55 %.

La principal consecuencia de tal diferencia se traduce en la posibilidad limitada de comprimir la mezcla combustible sin que se produzca la explosión por efecto de la

elevación de presión y tenperatura (10 a 1) ; en el caso del diesel , al comprimirse

solamente aire incombustible, la relación de compresión es considerablemente mayor, permitiendo desarrollar mayores potencias y mejores rendimientos ( 20 a 1) .

En la Figura 14.14 se muestra el funcionamiento del motor y el ciclo diesel. En el

Diagrama PV se aprecia la etapa de compresión adiabática (1-2) y la que corresponde a la combustión que se puede considerar isobárica. En el Diagrama T-S se aprecia la

compresión isoentrópica, elevándose correspondientemente la temperatura, y el aporte

entálpico a presión constante.

Si inyectamos gas natural en un motor diesel, al no haber chispa no enciende,

interrumpiéndose el ciclo; la razón por la que no enciende es precisamente la característica antidetonante del metano, por constituir una molécula perfecta,

dificultándose su disociación, condición previa indispensable para su encendido y

reacción (Teoría Inorgánica de la Combustión).

Al no poder operar el motor diesel solamente con gas natural, para su conversión tiene

que modificarse la concepción de diseño original; para permitir el encendido del gas debe



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disponerse de una fuente de ignición, existiendo dos posibilidades: Inyectar una determinada proporción de Diesel o instalar un sistema de bujías que provoque una

chispa en el momento de inyección; la primera representa convertir el motor a operación

mixta o dual y la segunda, convertir el motor al ciclo Otto. Para analizar ambas posibilidades, debemos tomar en cuenta la cinética de reacción, mecánica de fluidos y

su termodinámica en el interior de los cilindros.

Figura 14.14

Ciclo Diesel

14.4.2 CONVERSIÓN PARA OPERACIÓN MIXTA O DUAL

La utilización conjunta de un diesel 2 con alto índice de Cetano y fácilmente inflamable,

con Gas Natural, difícil de encender y fácil de quemar produce un ciclo termodinámico

diferente en el reactor, intermedio entre el diesel y el Otto, ya que se aleja del diesel al modificarse la presión con la explosión del gas y se aleja del Otto, al modificarse el

volumen con el pequeño intervalo entre la ignición del diesel y el gas.

El ciclo resultante se denomina Sabathé y lo podemos apreciar en los Diagramas PV y

TS de la Figura 14.15 .



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En el tramo 1-2 se produce la compresión del aire en el cilindro; las inyecciones del diesel en 2-3 y gas en 3-4 producen una evolución parcialmente isócora e isobárica, que

pudiendo ser diferente a la mostrada en el diagrama PV, presentándose primero la parte

isobárica y luego la explosión del gas a volumen constante.

Figura 14.15

Ciclo Sabathé

El Ciclo Sabathé, al producir un incremento del área por ensanchamiento de presión y volumen, incrementa el trabajo obtenido y permite alcanzar mejores rendimientos, como

se puede apreciar en la Figura 14.16.



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Figura 14.16.

Comparación de Ciclos Otto, Diesel y Sabathé

Tomando en cuenta que el ciclo Otto desarrolla mayores presiones y temperaturas, a

relaciones de compresión similares resulta más eficiente que el Diesel, pero como al comprimir aire la relación de compresión que se puede manejar es mayor, normalmente

el rendimiento de los motores diesel es algo mayor al de los gasolineros. En la gráfica se

observa que en el ciclo Sabathé, con las mismas relaciones de compresión del diesel y las condiciones de explosión del Ciclo Otto, el rendimiento resultante es mayor, lo que

resulta una ventaja para la conversión de los motores diésel para operar en forma mixta

con gas natural.

En el diseño de los inyectores se puede y debe aprovechar la energía cinética del gas

natural para favorecer la formación de llama y turbulencia en el interior del cilindro, que representa el reactor o cámara de combustión.

La operación mixta tiene la desventaja de tener que disponer de instalaciones para almacenar ambos combustibles cuando se trata de automotores.



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14.4.3 CONVERSIÓN AL CICLO OTTO

Podríamos considerar que resultaría suficiente reemplazar la inyección de diesel como detonador de la combustión del gas natural por una chispa generada por una bujía,

similar a la de los motores gasolineros, pero la sincronización entre la inyección del GN

y la chispa resulta complicada por encontrarse separados combustible y comburente.

Sin descartar la posibilidad de que pueda desarrollarse un sistema que permita una

ignición adecuada del gas natural por chispa en motores, podemos convertir los motores diesel al ciclo Otto, inyectando gas natural con el aire de admisión y disponiendo la

incorporación de una chispa de encendido.

Como se pudo apreciar en la Figura 3, el rendimiento de motores del ciclo Otto resulta

limitado por la relación de compresión máxima admisible con combustibles líquidos

con capacidad antidetonante limitada. La posibilidad de operar estos motores con gas natural, permitirá operarlos con mayores relaciones de compresión, obteniendo niveles

de rendimiento similares a los obtenidos con el ciclo diesel.

Los sistemas modernos de control monitorizado de inyección secuencial de combustible

a cada cilindro individual (quinta generación), permitirán mantener un excelente

control operativo de motores diesel convertidos al ciclo Otto para operar con gas natural.

Representando la termodinámica el fundamento de los motores endotérmicos

rotativos y alternativos, el análisis efectuado para incorporar el gas natural como

combustible en motores diesel permite establecer la conveniencia de diseñar

motores específicamente adecuados para operar con gas natural utilizando el ciclo Otto, con relaciones de compresión más altas que las normalmente utilizadas para

combustible líquidos. En la mima forma, poder operar satisfactoriamente con gas

natural, motores diesel con chispa de encendido.



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El desarrollo de modelos mecánicos que permitan convertir en realidad diseños termodinámicos, representa el campo de investigación aplicada con mejores

posibilidades de éxito técnico, económico y ecológico en los próximos años.

14.5 Cogeneración con Gas Natural

14.5.1 Concepción y criterios generales

La cogeneración es un sistema alternativo, de alta eficiencia energética, que permite

reducir de forma importante la factura energética de ciertas empresas, sin alterar su

proceso productivo, como puede apreciarse en el Gráfico de la Figura 14.17.

Figura 14.17

Se puede definir como la producción conjunta y simultánea de electricidad y energía

térmica útil, permitiendo conseguir rendimientos globales más elevados que la

generación eléctrica y consumos térmicos manejados en forma individual.

La aplicación de la Cogeneración siempre ha representado una excelente posibilidad de

optimización de costos energéticos, pero no ha sido tan difundida por algunas de las siguientes razones:

Desequilibrio entre requerimientos de energía térmica y eléctrica

Dificultades para adaptar combustible líquidos y sólidos a los modelos

tradicionales de Cogeneración.

Rentabilidad de proyectos , cumpliendo normas medio ambientales



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La disponibilidad de Gas Natural con todas sus ventajas técnicas, económicas y

ecológicas elimina los inconvenientes y proporciona todas las ventajas, permitiendo su

facilidad de combustión y versatilidad de manejo hacer factibles y viables todas las posibilidades de optimización energética y termodinámica.

14.5.2 COGENERACIÓN CON MOTORES ALTERNATIVOS

La cogeneración no se aplica solamente para grandes instalaciones industriales que

justifiquen instalaciones para pre-combustión y complicados sistemas de control ambiental; la limpieza del gas natural permite considerar sistemas de cogeneración que

se apliquen a instalaciones que requieren servicios con niveles termodinámicos

modrados, tales como hospitales, hoteles, edificios de apartamentos, clubes sociales, etc.

El sistema que permite proveer energía eléctrica y térmica en este tipo de instalaciones

considera grupos eléctricos del Ciclo Otto, operando con gas natural (Figura 14.18).

Figura 14.18

Generador con recuperación de calor de los gases de escape

Estos sistemas utilizan motores alternativos de combustión interna, generalmente de

ciclo OTTO de gas natural. El gas mezclado con aire en la proporción adecuada y a una

presión y temperatura establecidas provoca, mediante un foco de ignición una fuerte reacción exotérmica, cuya energía liberada genera una fuerza motriz que acciona un

generador eléctrico. El nivel de temperatura que es posible recuperar del calor residual

de los motores los hace particularmente indicados para su aplicación en sistemas de climatización de locales en el sector servicios.

La combustión del gas natural produce:



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Agua para calefacción: procedente del circuito de refrigeración del motor donde

el agua puede alcanzar los 90-95°C.

Vapor: generado directamente por el aprovechamiento de los gases de escape

del motor.

Agua sobrecalentada o vapor a baja presión.

Eventualmente agua caliente a 45-50°C, recuperada del circuito de refrigeración.

VENTAJAS DE LA COGENERACIÓN CON MOTORES ALTERNATIVOS:

Adaptación instantánea a las necesidades de producción de energía

La flexibilidad de estos sistemas permite dar una ágil respuesta a las necesidades de potencia demandada por el usuario. Los motores se adaptan muy rápidamente

a variaciones de la demanda, lo que los capacita para trabajar en régimen continuo,

separados de la red de suministro eléctrico, con usuarios cuya demanda de potencia variable. También permite el funcionamiento en paralelo con la red, modulando la

potencia de los grupos, de manera que no se llegue a exportar energía a la red, en el caso

que no resulte conveniente.

Equipos modulares

La flexibilidad de estos sistemas permite dar una ágil respuesta a las necesidades de potencia demandada por el usuario.

Amplios rangos de potencia en bajas escalas Los motores de cogeneración con gas cubren una gama de potencias unitarias entre 75

y 7,500 kW y tienen unas claras ventajas económicas de instalación y explotación frente

a las turbinas en potencias de hasta 3,000 kW.

Fraccionamiento de potencia

Una solución muy empleada para ajustarse a demandas de energía variable es la utilización

en paralelo de varios equipos de cogeneración de baja potencia que pueden entrar en

funcionamiento escalonadamente.

Disminución de inversiones Ahorro de la inversión en almacenamiento de combustible, ahorro en grupos de emergencia y posibilidaddes de ahorros en instalaciones eléctricas. Menores Gastos de Mantenimiento

Se produce una combustión ajustada y perfecta, lo que implica que los gastos de mantenimiento sean menores que con los combustibles líquidos, la degradación y ensuciamiento del aceite es menor y la vida del motor se alarga. Los costos de mantenimiento consisten básicamente en la reposición de aceite, bujías y filtros, según secuencias preestablecidas .



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No requieren suministros de gas a alta presión

Pueden funcionar con suministro de gas natural a baja presión:( 50 mbar), si son motores de aspiración natural y 1.5 bares relativos si son sobrealimentados.

14.5.3 Cogeneración con Turbinas de Gas para producción de vapor

Las turbinas a gas operando con gas natural representan el equipo ideal para

Cogeneración, debido a que para producir la energía mecánica que produce el giro del

eje que pueda conectarse a un generador, bomba, compresor, etc. que produzca trabajo, utiliza fundamentalmente la energía cinética de los gases que impactan los álabes,

permaneciendo casi inalterable el contenido de energía térmica. Esto explica sus bajos

niveles de eficiencia cuando trabaja en circuito abierto, porque libera a la atmósfera los gases de salida a muy altas temperaturas (800 °C). Todo este potencial térmico se puede

aprovechar en muchas formas, con importantes posibilidades y ventajas, constituyendo

sistemas de Cogeneración.

El aprovechamiento de este valioso potencial térmico para generación de vapor resulta

la aplicación más frecuente en la práctica, pudiendo mencionar los siguientes:

Ciclo Combinado con turbina de Condensación (Figura 14.19) : .

Completa el circuito abierto de la turbina de gas, con el que se alcanza 32 % de

eficiencia como máximo, utilizando los gases calientes para generación de vapor de alta presión para generación eléctrica en una turbina de vapor, alcanzando rendimientos

globales superiores a 72 %, cerrando el circuito termodinámico con un condensador.

Generalmente se implementan en Centrales Termoeléctricas, en las cuales el objetivo y

producto más importante es la energía eléctrica.



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La recuperación del calor contenido en los vapores y condensado representa un desafío técnico que se orienta al objetivo de conformar un Sistema de Energía Total, el cual

solamente considera justificables las pérdidas termodinámicamente inevitables.

Figura 14.19

Ciclo Combinado eléctrico

Ciclo combinado con turbina de Contrapresión (Figura 14.20)

Este sistema además de generar energía eléctrica en las turbinas de gas y vapor, produce vapor de media presión que permitirá proporcionar el calor requerido en procesos

industriales en plantas textiles, pesqueras, químicas, etc.

Figura 14.20

Ciclo Combinado

Térmico



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14.5.4 Cogeneración con Turbinas de Gas para producir gases para secado

La utilización de los gases calientes de las turbinas de gas, tomando en cuenta que los

gases de combustión del gas natural son totalmente limpios (Figura 14.21), representa

una opción de disponer de un fluido ideal para secado directo o indirecto, combinados con aire de dilución en la proporción necesaria para cada caso.

Figura

14.21

Considerando que el secado representa el proceso - operación unitaria más frecuente en

plantas industriales, sus posibilidades de aplicación resultan ilimitadas. Consideremos

algunos de los casos más factibles y rentables:

En plantas textiles para secadores, termofijado, máquinas rama, etc.

En plantas minero – metalúrgicas para secado del concentrado

En plantas pesqueras para secado directo, indirecto y sobrecalentamiento de

vapor para secado.

En plantas de cemento, para secar materias primas y/o puzolana.



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14.5.5 Cogeneración con Turbinas de Gas para producción de aire terciario de

combustión en plantas cementeras

La industria cementera es un consumidor intensivo de energía térmica y

eléctrica, lo que determina condiciones potencialmente favorables para

proyectos de cogeneración; sin embargo, existen muy pocas experiencias

en este campo, debido a que en las plantas antiguas no se presentan

condiciones favorables y a los cementeros no les interesaba vender energía

eléctrica. Para plantas modernas con precalcinación y ejecutivos con mayor

amplitud de criterio empresarial , proponemos un enfoque diferente.

SISTEMAS DE COGENERACIÓN ADECUADOS

Los sistemas que utilizan turbinas de vapor están descartados en plantas cementeras con

niveles termodinámicos más exigentes que los del vapor saturado y muy pocos requerimientos térmicos auxiliares. La utilización de calor recuperado de gases de

chimenea también resulta termodinámicamente insuficiente.

En realidad, el sistema de cogeneración que podría aplicarse consiste en la instalación

de turbinas de ciclo simple, en las cuales se utiliza la energía cinética de los gases de

combustión, desperdiciando el calor liberado por las chimeneas, con gases a temperatura mayores a 800 °C, lo que explica sus bajos niveles de eficiencias (38%).

Estos gases calientes con un 16% de Oxígeno podrían reemplazar al aire terciario de la precalcinación. La viabilidad técnica de este proyecto estaría asegurada si podemos

demostrar que resulta más conveniente utilizar los gases de salida de una turbina,

autogenerando energía eléctrica, que utilizar aire transportado desde el enfriador o el cabezal.



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Figura 14.22

En el corazón de un ducto de aire terciario

AIRE TERCIARIO versus GASES DE TURBINA

Para establecer la conveniencia del aire terciario efectuemos un pequeño balance térmico que nos permita comprobar la importancia económica de recuperar el calor del

clínker para disponer de aire caliente en el precalcinador.

Un sistema típico con precalcinador, donde se consume el 60% de aporte térmico, con una capacidad de producción de 100 TM de Clínker por hora y un consumo específico

de 800 Kcal/Kg de Clínker, nos permite el siguiente análisis:

Requerimiento de aire de combustión : 1 m

3N/1000 Kcal

Requerimiento total de aire de combustión : 80.000 m3N/h

Requerimiento Aire en el Horno : 32.000 m3N/h

Requerimiento Aire en el Precalcinador: 48.000 m3N/h

Recuperación de calor en el aire terciario : 48.000 m

3N/h . 700°C . 0.31 Kcal/ m

3N/h.°C = 10´416.000 Kcal/h

Esta recuperación se perdería en caso de utilizarse aire atmosférico.

¿Cuánto representa respecto al consumo específico total? 10´416.000 / 800´000.000 = 1.3 %



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¿Cuantos Kw-h se pueden generar para disponer de este volumen de fases

equivalentes al aire terciario?

Tomando en cuenta que el calor contenido representa alrededor del 60 % del calor total aportado a la turbina y el 37% el calor útil, el mismo representará algo de 7.000 Kw-h.

Si consideramos un precio promedio por Kw-h adquirido de la red de US$ 0.06, tomando en cuenta el cuadro comparativo d costos de generación, podemos deducir que

solamente se justificará la evaluación del proyecto de Cogeneración con el sistema

seleccionado operando con gas natural, debiendo descartarse en el caso del Diesel 2.

Figura 14.23

Tomando como referencia un valor de 0.3 US$ para el Kw-h Cogenerado y aportando el aire terciario equivalente, el ahorro en el suministro eléctrico de 7 Mw-H será de

US$140 que permitirían recuperar la inversión requerida en un plazo aproximado de 18

meses.

Basados en los análisis mencionados, podemos plantear algunas inquietudes interesantes para los ingenieros de planta cementeros:

5. Suministrar aire terciario a partir de la operación de una turbina de gas, cogenerando energía eléctrica para operación de planta, resulta más conveniente

que enviar aire recuperado desde el enfriador por un ducto aislado. En el caso



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6. La Cogeneración en una planta cementera representa una posibilidad que debe considerarse, pudiendo constituir un proyecto rentable, si se presentan

condiciones de suministro de gas natural a precios convenientes y se tienen altos

costos de contratación del suministro eléctrico de la red pública.

7. Para sistema de producción de clínker con engriadores tipo satélites, en los

cuales no se puede extraer aire terciario, la cogeneración resultará un proyecto obligatorio, considerando que la precalcinación es indispensable para cualquier

horno cementero.

8. La inversión de un ducto de aire terciario en una planta cementera no parece un

proyecto rentable para el productor, pero sí para los proveedores del sistema.

Este tema constituye objetivo de investigación que deben desarrollar los

responsables del trabajo técnico de cada planta individual.



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CAPITULO 15

Sistemas Alternativos para transporte, distribución y suministro de Gas Natural

15.1 EL LARGO CAMINO DEL GAS NATURAL

La formación de yacimientos de hidrocarburos en la naturaleza ha demorado cientos de

millones de años, pudiendo estar constituidos principalmente por componentes líquidos (petróleo con gas natura asociado) o por componentes gaseosos (gas natural y

condensados), que se encuentran en lugares tan variados como zonas selváticas

mediterráneas, zonas costeras de los continentes y lechos marinos en altamar.

El mundo actual dependerá todavía todo el

siglo XXI de la energía almacenada por la

naturaleza en los hidrocarburos



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Después de las etapas de exploración, prospección, comprobación de reservas y mercado para comercialización y consumo, se inicia el camino del gas natural hacia los

usuarios, pudiendo destacarse las siguientes etapas:

15.1.1 Producción

Las características del yacimiento determinan rumbos muy diferentes:

En pozos petroleros con gas asociado, la recuperación del gas natural debe ser

planificada en forma conjunta con su transporte, distribución y consumo, por resultar muy complicado su almacenamiento.

En Pozos gasíferos, el gas natural húmedo debe ser conducido a plantas de

separación del gas natural seco y condensados.

15.1.2 Transporte

El Gas Natural, constituido mayoritariamente por Metano, el Hidrocarburo más liviano

de la cadena orgánica, ocupa muy poco volumen en condiciones normales de temperatura, como puede apreciarse en la siguiente comparación:

Para aportar 1 MM de BTU se requieren:

7 galones de Fuel Oil

7.7 galones de Diesel 2

8.4 galones de gasolina normal

11 galones de GLP

7140 galones de Gas Natural (27 m3N).

Para tales condiciones, el transporte masivo más adecuado y conveniente resultará a través de circuitos de tuberías que permiten conducir desde los pozos petroleros o

plantas de separación grandes cantidades de masa de gas natural, en condiciones

controladas de presión y temperatura hasta los llamados City Gates, donde se inicia la

distribución hacia los consumidores locales (Figura 15.1).

Figura 15.1

La construcción de Gasoductos



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15.1.3 Distribución

Las disponibilidades del gas natural a elevadas presiones en los City Gates representan

las condiciones que deben aprovecharse para planificar en forma adecuada los sistemas de distribución a los consumidores finales en cada uno de los sectores que tendrán la

oportunidad de utilizar este maná del cielo de la naturaleza (Figura 2).

Generalmente se otorga la concesión de este servicio a un concesionario exclusivo,

debiendo mantenerse un equilibrio conveniente entre los objetivos técnicos, económicos y sociales para su comercialización, considerando que el gas natural representa un

recurso invalorable.

Figura 15.2

La distribución de Gas Natural

debe llegar a todos los sectores

15.1.4 Masificación del Consumo

El Gas Natural representa energía limpia, eficiente y económica, constituyendo una herramienta fundamental de desarrollo para todos los sectores (Figura 3):

En el sector industrial representa una formidable oportunidad de optimización de

costos operativos, desarrollo tecnológico y preservación ambiental. En el sector transportes: Ahorro efectivo de costos en combustibles y menor

contaminación ambiental.

En el sector comercial: Limpieza, economía y calidad de servicios.

En el sector domiciliario, calidad de vida de la población y posibilidades de actividades económicas.



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Figura 15.3

Principales sectores de consumo

15.1.5 ANÁLISIS DE LA CONFIABILIDAD DEL SUMINISTRO DE GAS

NATURAL POR GASODUCTOS

Los gasoductos consisten en tuberías de acero por las que el gas circula a alta presión,

enterrados en zanjas y excepcionalmente sobre superficie. El trazado puede resultar muy

variado en cuanto a longitudes y características constructivas, pero siempre estarán

sometidos al cumplimiento de Normas Técnicas y deberán ser instalados siguiendo

procedimientos establecidos, priorizando siempre el factor seguridad del personal, las

instalaciones y el suministro. En gasoductos muy extensos, puede ser necesario

considerar en el diseño, estaciones de compresión a intervalos correspondientes a las

caídas de presión consideradas.

Considerando que para construir un gasoducto se tiene la seguridad de reservas

suficientes para el mercado proyectado y se tienen que cumplir rigurosamente las

normas y procedimientos establecidos, en condiciones normales se puede considerar

asegurado el suministro de gas natural por gasoducto a largo plazo. Sin embargo,

siempre existen posibilidades y razones que justifican ña necesidad de disponer de

sistemas alternativos que proporcionen y/o aseguren fas natural en forma permanente y

confiable:

Mantenimiento programado



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Los gasoductos no están conformados solamente por tuberías; en principio dependen en

forma inmediata de la disponibilidad de gas natural seco producido en la Planta de

Separación y la operatividad de las Estaciones de Compresión. Otros equipos críticos

cuyo mantenimiento pueda ocasionar interrupciones en el suministro de gas natural son

los siguientes:

Válvulas de cierre, regulación, control y seguridad.

Sistemas de control de corrosión y detección de fugas.

Válvulas de derivación y Hot Taps.

Sistemas de calentamiento.

Instalaciones en City Gates.

Figura 15.4

Los City Gate siempre

demandan mantenimiento

programado

La programación de mantenimiento en cualquier punto de los gasoductos no

representa necesariamente una interrupción del suministro de gas natural a los

usuarios, debido a que la propia tubería representa cierta capacidad de

almacenamiento, debido a que se transporta a altas presiones , se distribuye a

presiones medias y se termina utilizando en los equipos, generalmente a presiones

muy bajas.

Un gasoducto de 18 pulgadas de diámetro transportando gas natural a 100 bares

(promedio) contiene alrededor de 5 millones de metros cúbicos, que podrían

alcanzar para aproximadamente 15 días del consumo de 100.000 usuarios

residenciales, 3 días de 200 clientes industriales y solamente unas horas de usuarios

que utilizan el gas a mayores presiones, tales como las termoeléctricas.



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Un mantenimiento programado para 2ou 3 días, suprimiendo el consumo de grandes

consumidores a mayores presiones (termoeléctricas y GNV) podría pasar

desapercibido para los sectores industrial, comercial y residencial.

mpurezas del gas natural: Polvo negro

La literatura técnica identifica como polvo negro todas las partículas que se presentan con el gas natural; para nuestro análisis preferimos separar las impurezas en dos grupos:

Las impurezas de carácter físico, constituidas por gotas y partículas que pueden provenir del mismo yacimiento o se generan durante las operaciones de extracción, transporte, separación y compresión. Sus características y propiedades físicas son conocidas y las instalaciones disponen de sistemas adecuados para separarlas y eliminarlas.

Las impurezas de carácter químico que se forman en el interior de las tuberías de gas húmedo y seco, por reacción entre los gases y vapores que forman parte de la composición del gas natural transportado y el hierro del acero de las tuberías del gasoducto. Estos componentes poseen en su composición el oxígeno y lo ceden para permitir la oxidación del hierro, formando compuestos híbridos que solidifican, permaneciendo en suspensión en el flujo transportado. Este es el polvo negro que nos interesa conocer y caracterizar para planificar su adecuado tratamiento, evitando los problemas que ocasionan en todo el sistema.

¿Cómo se forma el polvo negro? Todos los metales y en particular el hierro en condiciones atmosféricas se oxidan formando una capa de óxido que interrumpe el proceso, aislando el metal del contacto con el oxígeno del aire; si desaparece esa capa se volverá a formar y así sucesivamente hasta convertir todo el metal en óxido. El caso más simple lo constituye el tubo de escape de los automóviles. Como expertos en combustión reconocemos y estudiamos como importante catalizador de la reacción de la combustión el hierro metálico; así lo podemos comprobar cuando quemamos aceites lubricantes usados con



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limaduras de hierro del interior de los cilindros. En el interior de las tuberías y con la elevada presión del fluido sobre las paredes, en presencia de oxígeno, libre o combinado, el elevado potencial químico de la reacción de oxidación determinará que se forme óxido de hierro que combinado con los hidrocarburos presentes tomará el color negruzco característico. Mientras que exista la más mínima cantidad de oxígeno, se producirá este fenómeno y será fuertemente catalizado por la presencia de agua. Considerando que resultará técnicamente imposible o económicamente inconveniente eliminar totalmente el oxígeno del aire y el agua en la composición del gas, la formación de polvo negro en los gasoductos resultará inevitable. En el gas húmedo que se extrae de los pozos, en forma conjunta con los hidrocarburos se encuentran contenidos variables de impurezas con diferente comportamiento fisicoquímico, tales como componentes de azufre, vapor de agua, dióxido de carbono, etc. Estos componentes en el interior de la tubería de gas húmedo generan formas de corrosión ácida que tendrían que ser separadas en la planta de tratamiento y separación de líquidos. Si tales elementos subsisten en el gasoducto de transporte de gas seco, continuarán reaccionando con el Hierro de las paredes internas de la tubería de acero Caracterización del Polvo negro Estas partículas se forman por reacción química entre componentes ácidos tales como el SH2 y el vapor de agua, por lo cual no solamente están constituidos por oxido de hierro; la presencia de vapor de agua en el gas natural y las altas presiones de transporte en los gasoductos, facilitará la reacción entre el SH2 con el Oxido de Hierro, formándose Sulfuro de Hierro (S2Fe) y vapor de agua. Atendiendo los potenciales químicos de los compuestos considerador, se formarán sulfuros de hierro con el azufre disponible, incrementándose el contenido de Oxido de Hierro en la medida que quede oxígeno libre o combinado, de tal forma que el polvo negro presenta generalmente mayor proporción de este compuesto en la medida que exista mayor proporción de aire y agua en los gases transportados. En el medio orgánico considerado y en la interfase gas-líquido presente, el desarrollo microbiano también determina una forma de catálisis bacteriana que favorece la presencia de partículas de color negruzco, originado por la presencia preponderante de hidrocarburos en el medio. El origen químico de las partículas formadas establecen una condición granulométrica muy pequeña, presentándose predominantemente partículas muy finas, menores a 1 micra, lo cual determina grandes dificultades de captación.



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Figura 15.5

Vistas microscópicas de muestras de polvo negro

húmedo y seco que permiten apreciar la finura de las

partículas, menores a 1 micra.

Problemas que ocasiona el polvo negro El polvo negro puede ocasionar problemas en 3 partes del sistema:

En los Gasoductos:

Cuando en los gasoductos se mantienen velocidades muy bajas se produce la sedimentación del polvo negro, acompañado de otras impurezas, lo cual comienza a disminuir la capacidad de transporte efectiva del gasoducto, hasta llegar con el tiempo a niveles de obturación que obligan a su paralización para operaciones de limpieza.

Cuando se opera a velocidades muy altas, las partículas sólidas en suspensión provocan erosión en el interior de las tuberías.

La presencia de polvo negro, impurezas e hidratos favorece la corrosión química de las tuberías.

En las Estaciones de Recepción, Regulación, Medición y Limpieza:

La exagerada finura del polvo negro (1 micra) establece dificultades para su captación en los separadores ciclónicos y filtros de cartucho, llegando una proporción importante a los sistemas de regulación y medición, provocando inconvenientes físicos (erosión y obturación) y químicos (corrosión). En los medidores de flujo, afectará los medidores tipo turbina y de pistón, resultando menos dañinos en los medidores ultrásónicos y gravimétricos (efecto Coriolis) porque no afectan y por el contrario inclusive favorecen la detección de la señal.



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En los equipos de combustión

En los quemadores de gas natural que trabajan a baja presión los inconvenientes se presentan en los trenes de válvulas de regulación y medición; en quemadores de alta velocidad (supersónicos) se presenta la erosión de las boquillas.

En turbinas de gas, el polvo negro se quema en la cámara de combustión donde se maneja atmósferas muy oxidantes, pero siempre se tendrán partículas de oxido de hierro impactando en los álabes, por lo cual debe procurar su eliminación total en los circuitos de limpieza.

Figura 15.6

Polvo Negro: El azote de los gasoductos

SOLUCIONES Siendo inevitable la formación de polvo negro, solamente existen dos posibilidades de minimizar los problemas que ocasiona el polvo negro: Evitarlo y Removerlo. Para evitar su formación se debe disminuir al mínimo posible la presencia de componentes sulfurosos, agua y aire en el gas natural seco. El cumplimiento de este objetivo depende exclusivamente del tratamiento aplicado en la planta de separación de líquidos. Evidentemente en los ductos para transporte de gas húmedo resultará mayor la producción de polvo negro.

En los City Gates y derivaciones importantes, donde se deben ubicar calentadores para compensar la disminución de temperatura que acompaña la regulación de presión en niveles inferiores, se puede utilizar el polvo negro separado como fuente térmica.



Página | 388

Para remoción del polvo negro se utilizan chanchos de limpieza, requiriendo un número importante de pasadas, dependiente del polvo acumulado. Se debe disponer de instalaciones adecuadas para su eliminación del circuito hacia tanques cerrados y protegidos, sin afectar las instalaciones aguas abajo y el ambiente. La utilización de ―limpieza química‖ para eliminar el polvo adherido al interior de las paredes no lo recomendamos, porque se volverá a oxidar el acero, generando un acelerado agravamiento del problema eliminado; preferible mantener esta capa protegiendo la tubería de abrasión y oxidación.

Imponderables y Atentados

Los gasoductos transportan material inflamable y volátil, por lo que son fuente

de accidentes y atentados. Aunque en el diseño y montaje de los gasoductos

se toman todas precauciones necesarias para evitar condiciones riesgosas y

atentados criminales, siempre existen posibilidades que se produzcan con

graves pérdidas de vidas humanas, interrupciones del servicio y daños en las

instalaciones.

Para mayor ilustración, analicemos algunos casos reales:

En UFA – Rusia, el 3 de Junio de 1989 dos trenes circulando, produjeron chispas que

detonaron gas natural de un gasoducto con fugas. Fallecieros 645 personas y se dañaron

varios kilómetros del gasoducto, quedando desabastecida una zona importante de

Europa.

La rotura accidental de un gasoducto principal en setiembre de 1993 durante los

trabajos de colocación de fibra óptica en la Autopista Regional del Centro en

Venezuela, provocó una explosión y posterior incendio dejando 53 personas muertas y

70 heridas.

El 28 de diciembre de 1998, la explosión de un Gasoducto en Colombia, en la

población de Arroyo de Piedra, murieron 15 personas y 25 resultaron heridas. No fue

posible determinar las causas, pero pruebas realizadas por las autoridades colombianas

indicaron la existencias de colonias de bacterias, las cuales atacaron la tubería causando

corrosión localizada generando escape de gas y la explosión del ducto.

La rotura de un gasoducto de gas natural que estalló en llamas en Nuevo México el año

2000, mató a 12 miembros de la misma familia, que realizaba una parrillada cerca del

punto de fuga provocada por la corrosión interna del gasoducto.



Página | 389

Un gasoducto principal explotó el 30 de julio del 2004 en Bélgica (treinta kilómetros al

sudoeste de Bruselas), matando a por lo menos 23 personas y dejando 122 heridos,

algunos de extrema gravedad.

En Ucrania, en mayo del 2007, una explosión destruyóó parcialmente un gasoducto que

transporta gas a la Unión Europa.

En un atentado reivindicado por el Ejercito Popular Revolucionario, cuatro gasoductos

de Petróleos Mexicanos (PEMEX) explotaron una madrugada del 2007 en Veracruz

(México).

En numerosas oportunidades la guerrilla colombiana ha provocado explosiones en los

gasoductos de diversas zonas en Colombia.

15.2 SISTEMA ALTERNATIVO DE TRANSPORTE: GAS NATURAL

LICUADO (GNL)

La utilización de gasoductos resulta el sistema técnica y económicamente

apropiado para transporte de gas natural, pero para mercados importantes

ubicados a grandes distancias o transoceánicos, se ha desarrollado sistemas

que permiten transportarlo en forma líquida en grandes buques metaneros. El

gas natural es transportado como líquido a presión atmosférica y a -162 °C de

temperatura; el proceso de licuefacción reduce el volumen del gas natural 600

veces con respecto a su volumen original.

http://es.wikipedia.org/wiki/PEMEX



Página | 390

Las operaciones de GNL están ampliándose rápidamente en todo el mundo, y

cada vez hay más plantas en construcción o en vías de desarrollo.

Un proyecto de GNL es altamente complejo tanto desde el punto de vista

técnico así como del comercial. El proyecto debe tener en cuenta todos los

aspectos de la cadena de producción desde el yacimiento, el tratamiento

preliminar en los pozos, el transporte por tubería a la planta de licuefacción, el

llenado de barcos, el transporte a las unidades de revaporización y, finalmente,

la venta y distribución del gas ya sea como gas natural o en la forma de

electricidad.

Los proyectos de GNL son proyectos que representan varios miles de millones

de dólares de inversión, por lo que requieren la participación de compañías

integradas (que tengan unidades de exploración, producción y distribución de

gas) de alta solvencia económica y entidades financieras que contribuyan el

capital de inversión. Todos estos factores han creado una industria en la cual el

riesgo de inversión sea bajo y requiere que tanto los contratos de compra y

venta de gas sean a largo plazo, en este caso 20 años con reservas mínimas

en el orden de 12 trillones de pies cúbicos por proyecto (12 . 1012 )

15.2.1 Proceso de licuefacción

Cuando se extrae el gas natural de los yacimientos subterráneos,

generalmente contiene otros materiales y componentes que deben ser

eliminados antes de que pueda ser licuado para su uso:

Helio por su valor económico y por los problemas que podría producir durante el

licuado;

Azufre, corrosivo a equipos, dióxido de carbono que se solidifica en las

condiciones de licuefacción, y mercurio, que puede depositarse en instrumentos y

falsificar las mediciones.

Agua, que al enfriar el gas se congelaría formando hielo o hidratos que podrían

provocar bloqueos en los circuitos del la planta de licuefacción.

Hidrocarburos que acompañan el gas natural, conocidos como condensado, que

pueden congelarse al igual que el agua y producir bloqueos del equipo y

problemas en la combustión del gas.



Página | 391

El GNL producido debe ser usado en procesos de combustión y por lo tanto hay que

extraer algunos hidrocarburos para controlar su poder calorífico y el índice de Wobbe.

Dependiendo del mercado final, la remoción de etano, propano y otros hidrocarburos

debe estar controlada mediante una unidad de remoción de líquidos que puede estar

integrada en el proceso de licuefacción.

Para convertir el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta

aproximadamente -161 °C, que es la temperatura a la cual el metano, su

componente principal, se convierte a forma líquida. El proceso de licuefacción

es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes

produciendo líquidos fríos, tales como propano, etano/etileno,

metano, nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que

intercambian calor con la corriente de gas natural. De este modo, el gas natural

se enfría hasta el punto en que se convierte en líquido. Una vez que el gas ha

sido licuado se somete a un proceso Joule Thompson de expansión con

extracción de trabajo, para poderlo almacenarlo a presión atmosférica. El GNL

producido se almacena en tanques especiales para ser luego transferido a

buques tanques especiales de transporte (Figura 15.6).

Figura 15.6

Planta de Procesamiento

GNL

El diseño de estas plantas está

gobernado por normas estrictas, en la industria de GNL hay cuatro diseñadores

de plantas que se usan industrialmente: proceso con intercambiados de tubos

en espiral de Air Products (APCI y APX), la cascada optimizada de Phillips, el

triple ciclo refrigerante de Linde y el proceso de caja fría con mezcla

refrigerante de Black and Veatch (PRICO).



Página | 392

Todos estos procesos son usados en la industria y competencias de diseño son

realizadas para seleccionar el proceso que va a generar el proyecto más

rentable a lo largo de toda su vida útil.

15.2.2 Almacenamiento del GNL

El GNL se almacena a -161 °C y a presión atmosférica en tanques criogénicos

especiales para baja temperatura. El típico tanque de GNL tiene doble pared:

una pared externa de hormigón armado, recubierto con acero al carbono, y una

pared interna de acero niquelado al 9%. La seguridad y la resistencia son las

consideraciones de diseño primarias al construir estos tanques, los cuales se

diseñan para soportar terremotos y fuertes vientos (Figura 15.7).

Figura 15.7

Construcción de un

tanque de almacenamiento

de GNL

15.2.3 Transporte del GNL

El GNL se transporta a presión atmosférica en buques especialmente

construidos con casco doble. El sistema de contención de carga se diseña y

construye utilizando materiales especiales para el aislamiento y tanque, para

asegurar el transporte seguro de esta carga criogénica.



Página | 393

El GNL en los tanques de carga del buque se mantiene a su temperatura de

saturación (-161 °C) a lo largo de toda la navegación, pero se permite que una

pequeña cantidad de vapor se disipe por ebullición, en un proceso que se

denomina "autorrefrigeración". El gas evaporado se utiliza para impulsar los

motores del buque.

Aproximadamente 40% de los buques de GNL actualmente en servicio cuentan

con sistemas de contención de carga del tipo de membrana, de modo que

tienen un aspecto muy similar al de otros cargueros. El resto de los buques

tienen un sistema de contención de carga más particular, que incluye cuatro o

más tanques esféricos grandes. Ambos tipos de sistema de contención poseen

antecedentes de operación extremadamente seguros y confiables (Figura

15.8).

Figura 15.8

Planta de carguío de buques

metaneros

Actualmente se encuentran en servicio más de 120 buques de GNL.

El transporte de GNL por buque tiene antecedentes de seguridad ejemplares.

Límites de capacidad de carga: 19.000 m3 a 138.000 m3

Eslora: 130 m (420 ft) a 300 m (975 ft).

Calados: 6,5 m (12 ft) a 12 m (39 ft).

La flota de buques está desarrollándose rápidamente, con más de 100 buques

pedidos a los astilleros y que entrarán en servicio en los próximos años.

http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Celsius



Página | 394

También están naciendo proyectos alternativos para el transporte de GNL en

pequeñas cantidades, bien sea en camiones o en barcos mucho menores que

los actuales.

15.2.4 Regasificación del GNL

Una vez que el buque-tanque de GNL llega

a la terminal de regasificación en la zona

de mercado, el GNL es bombeado desde la

nave hasta los tanques de almacenamiento.

Los tanques de GNL son similares a los

utilizados en la terminal de licuefacción.

Luego, el GNL vuelve a su estado gaseoso original. Para ello, se bombea

desde los tanques de almacenamiento y es calentado con vaporizadores hasta

las condiciones de entrega especificadas por las empresas de gasoductos y los

usuarios finales, ubicados corriente abajo de la tubería. Posteriormente, el gas

se distribuye a los usuarios mediante un gasoducto convencional.

Otra modalidad de distribución consiste en el transporte de GNL a bordo de

cisternas especialmente diseñadas para su carga, desde las plantas

regasificadoras que reciben el producto de los buques metaneros, hasta

clientes que disponen de depósitos de GNL que están diseñados para

almacenar y regasificar el gas para su uso. Esta es la única modalidad de

transporte de GNL posible para los clientes a los que no llega el gasoducto

convencional.



Página | 395

15.2.5 Seguridad y riesgos del GNL

La cadena de producción y distribución de GNL está diseñada para evitar fugas

y prevenir incendios. Los riesgos más altos son su baja temperatura

(criogénica) y su combustibilidad. Los derrames de GNL se evaporan

rápidamente donde la condensación del vapor de agua en el aire crea una

neblina. El GNL no se prende fácilmente, la llama no es muy fuerte, no humea

y ésta no se extiende. El combate de un fuego de GNL es muy similar a uno

de gasolina o diesel; no hay peligro de explosión en lugares abiertos.

Debido a que los proyectos de GNL están basados en contratos de compra y

venta a largo plazo, la mayor parte de los riesgos están basados en la

disponibilidad de gas al proyecto, la estabilidad de los países donde se ejecuta

el proyecto y donde se vende el gas y la habilidad del grupo que está

ejecutando el proyecto para entender todas las complejidades de la cadena de

GNL para lograr una rentabilidad que asegure la viabilidad del proyecto durante

toda su vida útil. Las características de un buen proyecto de GNL incluyen:

Bajos costos de infraestructura y producción del gas.

Bajos costos de transporte del gas y otros productos líquidos.

Buena estructura del proyecto y de la compañía establecida para este efecto.

Ambiente fiscal atractivo

Confianza de los compradores en la estabilidad del proyecto

Seguridad de mercado

Índice del precio del gas con cambios de mercado

Proyecto que sea fácilmente financiable

Para apreciar la posibilidad de accidentes en plantas de GNL podemos

mencionar algunos accidentes relacionados con el GNL:



Página | 396

El 20 de Octubre de 1944 en Cleveland, la compañía East Ohio Natural Gas

tuvo un fallo en un tanque de GNL : 128 personas murieron en la explosión. El

tanque no tenía un muro de retención, había sido construido durante la Segunda

Guerra Mundial en medio de un estricto racionamiento de metal.

En febrero de 1973, en Staten Island – Nueva York, mientras se reparaba el

interior de un tanque de almacenamiento vacío, se desató un incendio. La presión

aumentó dentro del tanque tan rápido que la cúpula cedió, cayendo dentro del

tanque y matando a 37 obreros.

En 1979 en Lusby – Maryland, la instalación de GNL de Cove Point sufrió un

fallo de una bomba, que liberó vapor de gas, que se infiltró en los conductos

eléctricos; al cerrar el circuito un trabajador se provocó la ignición de los

gases. El resultado fue un trabajador muerto y grandes daños en el edificio.

El 19 de enero en Skikda, Argelia se produjo una explosión en la planta de

licuefacción de GNL de Sonatrach. Hubo 27 muertos, 80 heridos, tres trenes de

GNL destruidos y la producción del año 2004 se redujo en un 76%.

15.3 SISTEMA ALTERNATIVO DE DISTRIBUCIÓN: GAS NATURAL

COMPRIMIDO (GNC)

La importancia técnica, económica y ecológica de la disponibilidad de gas natural y la imposibilidad que los gasoductos lleguen a todos los puntos potenciales de consumo ha

determinado que se desarrolle una tecnología para distribución local del gas natural en

forma comprimida, en containers especialmente diseñados para atender las exigencias de mercados aparentes, cumpliendo la condición de rentabilidad de tales proyectos de

inversión. El incremento de los precios del petróleo y los combustibles líquidos otorga

particular importancia a este sistema alternativo de transporte, principalmente para las estaciones de GNV y el sector industrial.

El considerable diferencial de precios entre el gas natural y los combustibles líquidos determina grandes posibilidades para este tipo de gasoductos virtuales, lo que ha

determinado una fuerte competencia tecnológica y comercial entre compañías

especializadas que han desarrollado y compiten por desarrollar sistemas de acopio, compresión, transporte, recepción, descompresión y entrega a los usuarios en

condiciones similares o mejores a las que se reciben por los circuitos de distribución por

ductos.

Para apreciar el desarrollo tecnológico y sus aplicaciones en este campo, después de

analizar la información disponible sobre los sistemas más difundidos en América Latina, consideramos que el sistema NEOGAS ha logrado destacar en este campo y

conseguir mejores resultados en la práctica. Su descripción detallada permitirá conocer

esta tecnología y compararla con las otras existentes.



Página | 397

15.3.1 La Tecnología NEOgás

En operaciones de entrega al consumidor final, sistemas RCU (Unidad de Reducción

y control de Presión), totalmente automatizados y especialmente desarrollados por

NEOgás, permiten la transferencia del gas natural transportado de forma constante

para baja presión según su requerimiento de consumo. Dispositivos de calor

incorporados permiten que esta transferencia sea efectuada, evitando cualquier tipo

de congelamiento.

Para pequeños consumidores, fue desarrollada por NEOgás una combinación de las

tecnologías de gas Vehicular e Industrial, permitiendo hacer entregas fraccionadas de

cualquier volumen de gas en almacenajes estacionarios del cliente.

La tecnología patentada de NEOgás fue desarrollada para ofrecer las más modernas

soluciones y hacer el transporte y entrega de Gas Natural Comprimido en alta presión más eficiente, seguro y rápido,

atendiendo áreas sin acceso a la infraestructura convencional de

gasoductos. Esta tecnología está basada en principios hidráulicos que son usados para realizar grandes transferencias

de gas natural en un tiempo inigualable. Una vez que el gas

natural haya sido comprimido en los cilindros de transporte, especialmente desarrollados para este fin, no es necesaria

ninguna recomprensión en el grifo de abastecimiento de GNV.



Página | 398

Esta tecnología hace a NEOgás la única compañía en el mundo capaz de combinar alta

velocidad en la entrega y eficiencia de un mayor aprovechamiento del gas natural transportado, tornándose altamente rentable en comparación con otros sistemas.

El sistema de Trasvase Hidráulico HPU

A diferencia de los sistemas convencionales de entrega de GNC, NEOgás cuenta con una tecnología de trasvase del gas natural comprimido por un medio hidráulico a alta

presión, es decir que en ves de re-comprimir el gas natural (como sucede con otras

tecnologías, al perder presión en el tanque de almacena-miento por causa del vaciado de esta hacia el tanque del vehículo) este gas es trasvasado, es decir empujado por un

fluido hidráulico que es inyectado dentro de los cilindros de almacena-miento, pasando

el gas directamente al surtidor manteniendo siempre la presión de 220bar requerida por el tanque del automóvil y evitando así la necesidad de un compresor o booster que

demanda una mayor cantidad de energía eléctrica consumida para ser operado y la

instalación de una acometida eléctrica de media tensión (10,000 voltios).



Página | 399

El HPU (Unidad de Potencia Hidráulica) es el dispositivo encargado de este proceso y entre las ventajas que tiene sobre el sistema convencional podemos mencionar: un

menor costo de energía ya que consume 30Kw en baja tensión, un menor costo del

equipo, un despacho más rápido del gas (1200m3/hora) y el gas es despachado más frío

por lo que aumenta la autonomía del vehículo que recibe el gas. Otra característica

importante de este sistema es que por medio del HPU podemos utilizar hasta un 97%

del gas contenido en los cilindros de almacenamiento (el 3% es dejado como medida de seguridad) pudiendo así tener un mayor rendimiento a diferencia del sistema

convencional de re-compresión que solo puede utilizar hasta un 75% de este (por un

tema de presión mínima de succión del compresor).

El sistema de Reducción y Control de Presión RCU

El RCU es un módulo de reducción y control de

presión diseñado especialmente por NEOgás para

optimizar el uso del gas natural comprimido en el área industrial y comercial.

El RCU se encarga de descomprimir el gas

mediante un conjunto de dispositivos térmicos (para evitar el congelamiento por el descenso

brusco de presión de 220 a 7 bar) que utilizan el

mismo gas en forma óptima para calentar agua que al hacerla circular por medio de tuberías, en contra

flujo con la salida del gas permite un descenso de

presión estable y sin congelamiento, totalmente controlado. Este módulo de reducción y control de presión también nos permite un filtrado de impurezas que pueden haberse

acumulado en los procesos de transporte por la tubería del proveedor de gas o en el proceso de compresión del mismo, despachándose al cliente un gas limpio y con

temperatura y presión controladas.

Sistema de Transporte NEOgás

En NEOgás contamos con semirremolques ensamblados en nuestras propias fábricas, con un estricto control de calidad y manteniendo

un alto estándar de seguridad, certificado por las

autoridades respectivas tanto en Brasil como en China.

Estos semirremolques han sido diseñados de tal

manera que optimicen los volúmenes transportados, manteniendo los pesos y medidas

de acuerdo a la reglamentación vigente en el

Perú normada por el ministerio de Transportes y Comunicaciones.

Para cada cliente NEOgás diseña una logística de acuerdo a

los horarios y consumos de éste, de tal manera que el cliente siempre cuenta con un suministro de gas constante y a la

presión requerida. Esta logística es determinada mediante un

estudio de la operación del cliente y el diseño de un proyecto individual para cada uno.



Página | 400

Sistema de almacenamiento estacionario

Nuestra empresa también cuenta con un sistema de almacenamiento estacionario, es decir módulos o racks de cilindros que pueden ser ubicados en donde sea necesario un despacho

de menor volumen como establecimientos comerciales, restaurantes,

centros de esparcimiento, etc. o en el caso de industrias o estaciones de servicio alejadas en donde sea necesaria una reserva de gas natural

en el caso de demoras en el

despacho por algún acontecimiento fortuito que

ocasione el retraso del vehículo

de transporte de GNC. Estos módulos o racks son ensamblados de acuerdo

a los requerimientos de consumo del cliente, desde

pequeños módulos de cilindros verticales hasta módulos mayores de cilindros horizontales.

Estos módulos son cargados mediante un vehículo de carga llamado “HPU móvil” el

cual cuenta con un HPU montado sobre el tractocamión,

pudiendo así hacer el trasvase de

gas desde el semirremolque hacia el módulo estacionario

cualquiera sea el lugar en donde

este módulo se encuentre. La bomba del HPU es accionada por el mismo motor del tractocamión mientras este se

encuentra estacionado en el lugar de despacho.

La incorporación de la tecnología de almacenamiento de GNC por adsorción,

incorporando a los tanques membranas de carbón activado microporosas que permiten que se produzca la condensación parcial del gas (cambio de fase). La parcial presencia

de líquido en el tanque increentará considerableente la capacidad de almacenamiento en

los mismos tanques o almacenar la misma masa de gas natural a menores presiones.

Esta tecnología ha sido comprobada y se aplica exitosamente en tanques de GNV en

automotores, pero su aplicación a tanques (containers) de gasoductos virtuales tendrá

que ser analizada como proyecto de investigación aplicada.

15.4 GAS NATURAL ALTERNATIVO (GNA) PARA SUSTITUCIÓN DEL

GAS NATURAL EN EMERGENCIAS (BACK UP)

Proceso físico de adsorción



Página | 401

La disponibilidad de gas natural representa una gran ventaja para plantas

industriales, pero puede interrumpirse por distintas razones vinculadas con

mantenimiento programado, accidentes, sabotaje y fallas en los gasoductos y/o sistemas de distribución.

Para prevenir tales posibilidades se instala sistemas de suministro de un combustible alterno formado por GLP vaporizado y aire comprimido, conformados por sistemas

de control de las condiciones de alimentación, mezcla y suministro a planta

altamente sofisticados, totalmente automatizados y de alto costo, que aseguran la sustitución del gas natural sin variaciones en las operaciones y procesos de

combustión.

Al haber comprobado que tales sistemas no funcionan correctamente en la práctica,

hemos establecido las 3 causas principales de sus problemas:

Para lograr mayores beneficios comerciales se incorporan mas parámetros de

los necesarios, instalando verdaderos cerebros electrónicos para regular

sistemas que en la práctica resultan relativamente simples, lo cual termina

complicando su funcionamiento y producción.

Al igualar los Indices de Wobbe del Gas Natural y la mezcla combustible (aire propanado) hacen ambos combustibles intercambiables pero no

similares; esto significa que ambos pueden ser utilizados en las mismas

instalaciones pero efectuando los ajustes de presión y flujo que resulten necesarios para aportar a los procesos el mismo suministro térmico (Figura

15.9).

La cinética de la combustión puede resultar igualmente eficiente pero

diferente, lo que obliga a un manejo también diferente de la mecánica de fluidos para la mezcla y las condiciones de transferencia de calor a los

procesos.



Página | 402

Figura 15.9

Representación gráfica de Delbourg

Basados en estas experiencias hemos concebido, diseñado e implementado el

Sistema de GAS NATURAL ALTERNATIVO (GNA) que resultando adecuadamente simple para efectuar una mezcla efectiva y homogénea de GLP y

aire comprimido, resulta apropiadamente económico para constituir un sistema

de emergencia. Sin pretender que el GNA sustituirá correctamente al gas natural en las instalaciones industriales, no podemos estandarizar el diseño, por lo cual

lo efectuamos específicamente para cada instalación.

Para asegurar que en la práctica, la planta pueda operar con los mismos niveles

de producción y eficiencia alcanzados con gas natural, definimos las particulares

características de empleo para cada instalación, involucrando en el análisis de su adecuación al personal responsable de su funcionamiento, proporcionándoles la

capacitación y el entrenamiento suficientes y adecuados para poner en servicio,

regular y operar el sistema GNA.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA GNA

La concepción general del sistema GNA consiste en el suministro de flujos de

características definidas de GLP y aire comprimido a un mezclador estático de



Página | 403

diseño adecuado para asegurar una mezcla homogenea y estable. El GNA producido se almacena en un tanque pulmón que cumpliendo la función del sistema de

distribución de GN, garantiza el suministro de combustible a una presión definida y

adecuada para cada planta individual. En el siguiente gráfico se muestra el Diagrama Esquemático de un proyecto individual; los planos definitivos deben

elaborarse en planta con participación directa y comprometida del personal de

Operaciones y Mantenimiento.

La filosofía de control para efectuar la mezcla resulta simple pero efectiva y

adecuada, tomando como parámetro básico para asegurar la calidad de la mezcla la densidad y regulando el suministro del GNA requerido en planta mediante la

compensación de la presión en el Tanque Pulmón.

Considerando que el aire y el gas natural son constantes y el GLP variable, el flujo

de gas natural que debe ser reemplazado permite fijar un flujo equivalente en

unidades energéticas de GLP, variando su proporción de mezcla con el aire comprimido para mantener constante su Indice de Wobbe, mediante un sistema de

dosificación de flujos con válvulas de gas de control electrónico de flujo y proporción de posicionamiento paralelo, manejadas por la señal de un presostato

ubicado en el tanque pulmón y la medición de densidad proveniente del medidor de

flujo másico.



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El Sistema GNA se diseña y estructura específicamente para cada planta industrial y

se divide en 3 subsistemas complementarios que se deben manejar como componentes individuales: Suministro de los componentes (GLP y aire comprimido)

en las condiciones establecidas, Mezcla y producción de GNA y el Circuito de

distribución y consumo de GNA en planta.

Para registrar la producción de GNA y remitir la señal de densidad al sistema de

control, se utilizará un medidor de flujo másico de tamaño y características adecuadas.

Medidor de flujo másico y Transmisor de señal MICRO MOTION

Para implementar el Sistema GNA que le permita a cualquier planta industrial tener

la seguridad de poder mantener sus condiciones de producción y eficiencia en las Operaciones y Procesos vinculadas con la combustión del Gas Natural utilizado,

Combustión y Ecología S.A.C. tendrá que efectuar las siguientes acciones:

Implementar las instalaciones para suministrar GLP y aire comprimido a la

planta de mezcla y producción de GNA.

Diseñar la Planta de Mezcla y Producción de GNA con las características de

ubicación, dimensionamiento y capacidad específicamente adecuadas para sustitución de los volúmenes normalmente utilizados de Gas Natural.

Definir los procedimientos de ajuste de variables operativas para regulación de procesos de combustión con GNA, desarrollando para este propósito una

evaluación integral de las características de diseño y condiciones actuales de operación de todos los sistemas de combustión en planta.

Válvulas de gas de control electrónico de flujo y proporción de posicionamiento paralelo



Página | 405

Al constituir un sistema diseñado específicamente para cada planta industrial, el sistema

GNA permite garantizar los mejores resultados técnicos con costos significativamente

menores de inversión que otros sistemas más sofisticados y diseños aplicables para cualquier instalación.

15.5 CRITERIOS DE APLICACIÓN DE SISTEMAS DE TRANSPORTE

DISTRIBUCIÓN Y SUMINISTRO DE GAS NATURAL

Siendo el gas natural el combustible del siglo XXI debido a sus notables ventajas técnicas, económicas y ecológicas respecto a cualquier otro combustible, resultará

conveniente para todos los sectores disponer de este maná del cielo que todavía algunos

países insisten en exportarlo por ignorancia y/o corrupción de sus gobernantes. El Gas Natural es un recurso invalorable y una herramienta fundamental de desarrollo.

Resultará necesario establecer la situación actual del desarrollo tecnológico de los sistemas utilizados para ponerlo al alcance del los mercados de consumo. Basados en el

nivel actual de las tecnologías en este campo, experiencias vividas en la mayoría de

países latinoamericanos y el conocimiento de la realidad en el campo energético mundial, asumimos los criterios convenientes y adecuados para cada una de las etapas

consideradas:

15.5.1 Transporte

El gas natural, con todas sus ventajas y posibilidades, genera su propio mercado de

consumo, por lo que existiendo condiciones mínimas de desarrollo potencial, siempre

resultará justificado la construcción de gasoductos. En todos los países latinoamericanos ha quedado demostrado que la dinamización de la economía que genera la

disponibilidad de gas natural en todos los sectores de centros poblados, genera mayores

ingresos anuales después del quinto año de su puesta en servicio que el costo que involucra todo el proyecto.

Siempre resulta justificado

construir un gasoducto para

Impulsar el desarrollo



Página | 406

Aunque existen gasoductos de gran extensión, como los que abastecen a la Unión

Europea desde Asia y Africa, el desarrollo de la tecnología para licuefacción,

almacenamiento y transporte del gas natural actualmente permite considerar la conveniencia de su aplicación por encima de 3.000 kilómetros de recorrido, pudiendo

disminuir esta distancia, en razón de las

dificultades del terreno.

GNL

Tecnología para grandes volúmenes,

extensas distancias y mucha

corrupción

15.5.2 Distribución

El tendido de redes de distribución del gas natural por tuberías siempre debe justificarse

por mercados de consumo que determinen la rentabilidad de proyectos de suministro, lo cual puede y debe manejarse con el criterio de masificación del consumo en cada uno de

los sectores.

La utilización de gasoductos virtuales (GNC) representa un complemento indispensable para los planes de masificación del consumo de gas natural, por las siguientes razones:

Abastecer puntos de demanda alejados del gasoducto, económicamente viables o socialmente justificables.

Formación de cadenas y anillos de circulación vial con suministro de gas

natural.

Masificación del Uso del Gas Natural

Industrialización y Desarrollo Integral



Página | 407

Desarrollar nuevos mercados para justificar la construcción de gasoductos.

El desarrollo de gasoductos virtuales cada vez más eficientes y el aumento del

diferencial existente entre gas natural y combustible líquidos, para mercados medianos ya justifica el suministro en radios que alcanzan hasta mil kilómetros.

Gasoductos virtuales: Importantes para cerrar

cadenas y anillos nacionales y regionales de GNV

Combustion Industrial de Gas Natural

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