Autor: Ing. Alberto H Calsiano
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Ante el incremento en la frecuencia y duración de las restricciones al suministro de gas natural que viene afectando a la industria durante la época invernal, aquellas que utilizan el gas como combustible, si quieren mantener el ritmo de su producción, deben realizar el reemplazo de este por gas oil, fuel oil o GLP, según las características técnicas de sus respectivos equipos. El tema se extiende a las centrales termoeléctricas con lo que podría verse afectado su nivel de disponibilidad. Para tratar de dar una respuesta a la pregunta del titulo, el Ing C. Canal analizará los efectos de utilizar en un mismo equipo gas natural o fuel oil de modo alternativo.
“Luego de realizar una reseña de la evolución decreciente de las reservas de gas y petróleo, así como de la creciente demanda de gas y electricidad de nuestro país, concluye que es preocupante la alta dependencia del gas natural tanto en la matriz primaria de energía como en la matriz eléctrica. Se señala el contraste que se da entre la evolución de la intensidad energética de los países desarrollados, en los que la tendencia es decreciente y la de nuestro país, en el que por el contrario crece. La conclusión es que somos más ineficientes en el uso de la energía y se plantea la pregunta si ello tiene alguna relación con el uso de múltiples combustibles.
Para llegar a una conclusión se comienza haciendo un análisis sobre la forma en que se organizan los sistemas térmicos. La energía es trabajo contenido cuya extracción se puede realizar en parte. Otra parte inevitablemente se degradará. El objetivo es minimizar para un fin dado dicha degradación (energía). Para ello es necesario que para cada punto e instante la oferta de la energía que se puede extraer (exergía) sea la requerida para el fin que se persigue.
Como en el caso que nos compete se trata de obtener calor, todo exceso significa degradación de la calidad producida lo que equivale a mayores costos de mantenimiento (destrucción de tubos y de refractarios, defectos en la calidad del acero, grietas, etc). Mayor exergía que la necesaria por la carga produce inevitablemente degradación = destrucción, encareciendo significativamente el proceso.
Aquí viene el primer llamado de atención y es que un cambio de combustible debe analizarse por el efecto que produce en el funcionamiento del equipo y en la calidad del producto, lo que significa en la totalidad del horno, las partes con y sin llama, de este modo se evitaran degradaciones o en el caso que estas aparezcan se tendrán en cuenta.
Todo cambio de combustible debe estudiarse por el efecto que se producirá en el sumidero. El objetivo es que no deben aparecer degradaciones que sean evitables, en el caso de no ser evitables implican un costo que debe ser cuantificado.
Conclusión LOS COMBUSTIBLES NO SE REEMPLAZAN POR EL PODER CALORIFICO.
Ante la escasez de gas natural ya se esta pensando en incorporar hidrógeno en los gasoductos, el porcentaje es lo que se debate (2 – 25%), o sea que cuado se hable de combustibles alternativos no solo se debe pensar en líquidos, sino que el mismo gas natural podría ser diferente.
Se analiza el criterio del número de Wobbe. Se aplica como elemento de control para que a una cierta apertura de válvula pase la misma cantidad de calor. Sin embargo no dice nada acerca de lo que pasa con el sumidero, ¿Qué pasa con la temperatura del proceso? ¿Y la calidad del producto? ¿Cambiarán? Realmente no aporta gran cosa.
En los equipos que se están analizando el intercambio de calor se realiza por radiación y/o convección, la intensidad de calor transmitido por radiación suele ser mucho mayor que por convección, aun a temperaturas bajas (600 ºC).
Para cualquier cambio de combustible se debe analizar punto a punto como varia la cantidad de calor que se transmite para determinar el efecto que ello produce en la carga, si el resultado no es satisfactorio se producirá una degradación real. En una caldera importante, como podría ser la de Central Puerto la degradación de los refractarios podría ser significativa.
Pasando a analizar el efecto del cambio según la forma en que se transmita el calor. Si lo que se quiere tener es la misma cantidad de calor resulta que en la parte convectiva no habría cambios significativos, debería controlarse que se mantenga la misma cantidad de aire, sin embargo se produce un cambio sustancial en la radiación.
El análisis radiante se debe realizar en la parte con y sin fuego ya que los gases de la combustión radian, dependiendo la radiación de la cantidad de moléculas de estos gases (efecto volumétrico), a diferencia de una pared, que esta en relación a su superficie.
LA RADIACIÓN DE LOS HUMOS, esta constituida principalmente por los gases triatómicos; CO2 y vapor de H20, también puede haber SO2. La radiación en la parte de gases dependerá de la cantidad de estos gases radiantes y del espesor de la capa de gases. Para realizar su estudio se supone que los gases son grises (a cada longitud de onda le corresponde una fracción del cuerpo negro) sin embargo no es así pero se lo supone por facilidad.
Para un mismo tipo de horno al utilizar diferentes combustibles se debe tener en cuenta que cada uno de ellos tiene diferentes concentraciones de CO2 y H2O por lo que deberán radiar de modo distinto.
Se analiza lo que ocurre en un horno tipo utilizando gas natural y fuel oil para distintas temperaturas de los combustibles y de la carga del horno, así como la relación de la superficie de la carga y de las paredes y el espesor de la capa de gases.
El resultado mostrado en la tabla (Pág. 13) indica que cambian las condiciones de equilibrio en que se realizan las transformaciones.
En otra tabla (Pág. 15) se puede observar para cada caso el efecto que se produce en la temperatura de las paredes del horno incrementándose al pasar de gas natural a fuel oil, para disminuir este efecto no deseado se debería resetear el sistema de combustión.
TODO CAMBIO DE COMBUSTIBLE IMPLICA CAMBIAR LOS SETS DEL PROCESO.
Todo ello se complica si por alguna razón el horno debe detenerse, ya que la carga queda con una temperatura que dependerá del combustible que se este utilizando, corriendo el riesgo de que la carga quede soldada al piso del horno.
Pasa a analizarse la importancia de las termocuplas utilizadas y el lugar en que se las ubique como elementos de control del proceso.
LA RADIACION BAJO LAS LLAMAS, puede variar de modo significativo de lo visto para las zonas alejadas de la llama.
Ocurre que para llamas del mismo largo pero correspondientes a diferentes combustibles el nivel de radiación puede ser muy distinto tal como se muestra en la figura de la Pág. 19 en el eje vertical esta la intensidad en Kcal/m2-hora en el horizontal el largo de la llama. Se observa que el FO tiene la mayor cantidad de radiación cerca del quemador en tanto el GN va aumentando la radiación a medida que se aleja de la boca del quemador. En el caso de un horno en que la lama ocupe totalmente el hogar como en el caso de las grandes centrales de vapor industrial el cambio de un combustible por otro va a producir un efecto no deseado. Ello tiene que ver con que la llama de FO transmite mas (30%) que una de GN por lo que la temperatura de los gases de FO será menor que la de los de GN. Si se pasa de FO a GN la temperatura a la salida del hogar será mayor y la temperatura de los tubos mayor.
El FO contiene partículas que se denominan asfaltenos, en cuya composición se encuentran vanadio, sodio, azufre que se queman depositándose en los sobrecalentadotes. La temperatura de fusión esta en el orden de los 550 ºC por lo que al realizar el cambio ahora a GN se produce el ablandamiento o fusión de estos componentes atacando a los tubos mediante la denominada corrosión en caliente. El depósito se produce con el FO y el daño con GN. Si se quiere proteger los tubos del sobrecalentador debe limitar la carga de modo que la temperatura de los tubos sea inferior al ablandamiento de los depósitos.
CUANDO SE PASA DE FUEL OIL (FO) A GAS NATURAL (GN), SI EL GN POSEE VANADIO Y SODIO PUEDE PRODUCIRSE LA DESTRUCCION DE LOS SOBRECALENTADORES.
¿Qué pasa con el quemador cuando se hace el cambio de GN a FO? Se debe tener en cuenta que el quemador esta sometido a una intensidad de radiación mucho mayor que cuando trabaja con GN. Cuando se realiza el cambio de combustible y se trabaja con FO, no se retiran los inyectores o lanzas por donde se ingresa el GN. El efecto de la mayor radiación sobre los inyectores esta mostrado en la Fig. de la derecha de la Pág. 23. El resultado es que se incrementa sensiblemente el diámetro del orificio de estos inyectores. Al pasar nuevamente a GN como resultado del mayor diámetro de los orificios de salida del gas implicaran que debe disminuirse la presión con el incremento en la longitud de la llama (más lenta), incrementándose las emisiones de no quemados, empeorando la situación si las llamas llegasen al sobre calentador.
Otro efecto del uso del FO es sobre el reten de llama que termina desapareciendo (quemado) debido a la alta radiación. Cuando se pasa a GN el fuego pasa a al caja de aire y destruye el cuerpo del quemador (Pág. 24).
El resultado de esta alternancia de combustibles tiene como consecuencia la disminución de la disponibilidad de los equipos de generación termoeléctrica.
LA FORMACION DE HUMO; La combustión se puede hacer con o sin humo o con humo pulsante
Fuego, llama y combustión son situaciones completamente diferentes.
La combustión es el proceso en una pequeña región del espacio en donde los reactivos pasan a productos, la llama es el lugar geométrico de esa onda de combustión a velocidad subsónica, el fuego es todo lo que esa combustión situada en la llama modifica los reactivos, en el caso del FO las gotas son carbonizadas y toman valores superiores a 100 MC. En el caso del GN se tarda en producir este fenómeno debido a que se tiene que transformar de gas a sólido pasando por diversos componentes acetileno, poli acetileno, etc, hasta que forma un racimo de un tamaño de 1 mc. lo que en el FO tiene 100 mc.
A medida que salen los humos esa pelotita hueca de carbón vuela a la misma velocidad que el gas.
Un error que se comete al ver humo es incrementar el exceso de aire dado que se enfría yéndose la situación fuera de control. A menudo cuando se realiza la inspección de los hogares se pueden observar una serie de gotitas de este tipo pegaditas como consecuencia de la utilización de bajas temperaturas (120 ºC), con lo que seguramente se tendrán humos.
LA FORMACION DE NOX, el cambio de combustible puede incrementar o no la formación de NOX.
Se distinguen tres clases de NOX:
La forma de combatir al NOX es que la combustión no tenga mucho aire caliente inútilmente mediante quemadores de bajo nivel. Consisten en quemadores que ponen el combustible o el aire en etapas. Otra forma es organizar los hogares en etapas.
ESTABILIDAD DE LA LLAMA. RUIDO Y VIBRACIONES, el ruido se asocia a inestabilidad de la combustión y puede ser amplificado por la cavidad del hogar que tiene su propia frecuencia de resonancia.
Lo normal es que las cámaras de combustión no se puedan modificar por lo que deben modificarse las condiciones del quemador.
INTERCAMBIABILIDAD DE COMBUSTIBLES, solo cuando su efecto sobre la función es nulo o mínimo y la estructura física permanece sin daño, de no cumplirse esta condición no lo son”.
“Las condiciones para que un quemador sea intercambiable:
