CALDERAS INDUSTRIALES

XXV.- DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES

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Las calderas industriales tienen, en general, características de diseño distintas de las calderas ener- géticas; se construyen en un amplio campo de tamaños, presiones y temperaturas, desde las de vapor

saturado a

 2 psig (1,2 bar)

 218ºF (103ºC)

, que se utilizan para caldeos de todo tipo, hasta las de  1800 psig (125 bar) ,

 1000ºF (538ºC)

para plantas generadoras de electricidad.

Las calderas industriales suministran vapor para más de una aplicación; en determinadas cir- cunstancias la demanda de vapor puede ser cíclica o fluctuante, de modo que el funcionamiento de la unidad generadora de vapor y su equipo de control, se pueden complicar.

En las calderas industriales, el flujo de la mezcla agua-vapor suele ser en circulación natural, con excepción de las viejas unidades remodeladas con lechos fluidificados burbujeantes y las grandes calde- ras con gran capacidad de generación de vapor.

Las grandes calderas para generación de electricidad, se diseñan para quemar carbón pulverizado o troceado, aceite, gas o una combinación de aceite o gas con un combustible sólido determinado.

Las calderas industriales se diseñan para los combustibles anteriores y también para quemar en hogares mecánicos, carbón groseramente troceado.

Muchos procesos industriales generan subproductos que pueden servir como combustibles, contri- buyendo significativamente al rendimiento operativo de la planta, y reduciendo el coste del producto, co- mo:

- Gases derivados de la industria del acero, como el gas de horno alto y el gas de batería de coque

- Productos clásicos de la industria del petróleo, como CO, gas de refinería y coque de petróleo

- Productos de la agricultura como el bagazo de los molinos de azúcar, cáscaras de cacahuete, posos de café, etc

- Residuos de la industria de la pulpa y papeleras, como madera, cortezas, productos químicos de proceso, sedimentos, etc

- Residuos sólidos municipales, basuras

Los parámetros que especifican las calderas industriales son:

- Presión de vapor

- Temperatura e intervalo de control

- Flujo de vapor: punta, mínimo, curva de carga

- Temperatura y calidad del agua de alimentación

- Capacidad de reserva y número de unidades

- Combustibles y sus propiedades

- Características de las cenizas

- Preferencias en métodos de combustión

- Límites de emisiones medioambientales SO2, NOx, partículas sólidas, otras

- Espacio del emplazamiento y limitaciones en accesos

- Auxiliares, requisitos de operadores y base de evaluación

XXV.1.- EQUIPO GENERADOR DE VAPOR

Una de las características constructivas que distingue a la mayoría de las calderas industriales, es la gran superficie del banco de caldera de agua saturada (superficie vaporizadora), dispuesta entre el calderín superior y el calderín inferior, Fig XXV.1 y 4.

El objetivo del banco tubular de la caldera radica en calentar el agua de alimentación que entra en la caldera hasta la temperatura de saturación y, a continuación, vaporizarla al mismo tiempo que en- fría los humos hasta una temperatura de salida económicamente razonable.

En las calderas de baja presión, en el interior del recinto del hogar no existe la suficiente superficie de caldeo para que se pueda absorber la energía necesaria para llevar a cabo el calentamiento y la va- porización, por lo que se dispone otro banco de caldera, en el seno del flujo de humos, aguas abajo del ho- gar y del sobrecalentador (si existe), que se encarga de ofrecer la superficie termointercambiadora que se precise.

Cuando la presión en el generador de vapor aumenta, Fig XXV.2, la absorción de calor requerida para la vaporización del agua disminuye, al tiempo que aumenta la absorción de calor por parte del so-

brecalentador.

Fig XXV.1a.- Sistema de caldera energética Stirling para carbón pulverizado de dos calderines, con equipo de control medioambiental

Fig XXV.1b.- Esquema de instalación energética para carbón pulverizado con equipos de control medioambiental

Fig XXV.2.- Efecto de la presión del sistema sobre la vaporización, en caldera industrial con sobrecalentamiento constante de 100ºF (56ºC)

En algunas unidades industriales modernas de muy alta presión, se instala un módulo de caldera más pequeño, independiente del calderín de vapor, que efectúa la misma función que el banco de caldera, pero a menos coste, Fig XXV. 5.

Se puede utilizar también un economizador o un calentador de aire comburente, aguas abajo del banco de caldera, para reducir aún más la temperatura de los humos a la salida de la unidad.

Flujo de vapor.- Para asegurar el cumplimiento de la demanda de vapor, que implica el aporte de los flujos de calor necesarios en todos los puntos de utilización, hay que seleccionar un equipo generador de vapor con la suficiente capacidad, operatividad y flexibilidad.

La demanda de vapor puede ser:  Estacionaria, como ocurre en la mayor parte de los sistemas de calentamiento

Transitoria, fluctuando amplia y rápidamente

Los requisitos del vapor para las diversas condiciones de funcionamiento se tienen que establecer con exactitud, a fin de asegurar que el sistema de caldera seleccionado, pueda cumplir con todas las con- diciones de la demanda, es decir:

- Flujo punta

- Flujo máximo continuo

- Flujo mínimo

- Régimen de cambio de flujo

La carga punta determina la capacidad máxima del equipo generador de vapor y de todos los equi- pos auxiliares asociados; para cargas altamente fluctuantes, se establecen puntas de 15 minutos, que es el tiempo máximo que se pueden soportar. En la mayoría de los casos, las puntas de corta duración se cubren con el almacenamiento de calor, inercia térmica asociada al equipo generador de vapor.

Vapor para procesos y calentamientos.- La presión de vapor saturado para procesos de calenta- miento es aquella para la que la correspondiente temperatura de condensación del vapor es ligeramente superior a la temperatura requerida en los materiales o productos a calentar; la utilización de vapor so- brecalentado

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