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1 EQUIPOS DE COMBUSTIÓN: GENERACIÓN DE VAPOR Y AGUA CALIENTE HORNOS JORNADA TÉCNICA SOLUCIONES TECNOLÓGICAS INNOVADORAS EN EFICIENCIA ENERGÉTICA José Mª Sotro Seminario Técnico Área Energía y Medio Ambiente

2 ÍNDICE EQUIPOS DE COMBUSTIÓN: GENERACIÓN DE VAPOR Y AGUA CALIENTE Y HORNOS 1 CALDERAS: AS ECONOMIZADOR, CONDENSACIÓN Y BIOMASA 2 REGULACIÓN ELECTRÓNICA: QUEMADORES Y CALDERAS 3 SOLUCIONES EN PURGAS DE CALDERAS 4 RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS 5 QUEMADORES: BAJO NOX, RECUPERATIVOS Y OXI-COMBUSTIBLES

3 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Elevada temperatura de humos de combustión en calderas convencionales (hasta 250 ºC para temperatura vapor entre ºC). Pérdidas significativas de energía en los humos de combustión. Condiciones no óptimas de trabajo se traducen en mayores pérdidas en gases de combustión, peor rendimiento y mayores consumos energéticos. Mayores emisiones contaminantes EFICIENCIA ENERGÉTICA Recuperación de calor de los gases de combustión mediante economizador. i d

4 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Aprovechamiento del calor recuperado para precalentar agua de alimentación o el aire de entrada al quemador. Posibilidad de incorporar economizador independiente o integrado en la caldera. Ventajas del economizador integrado: Reducción de costes de inversión. Dimensionar de acuerdo a características de la caldera como temperatura de entrada y salida de gases.

5 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Limitación de temperatura de salida de los gases después del economizador en combustibles derivados del petróleo como fuel-oil y gasóleo por encima del punto de rocío del ácido sulfúrico. Limitación proximidad térmica (diferencia por encima de los 40 ºC entre temperatura de humos y fluido a calentar) para rentabilidad d de la recuperación. Mayor coste por la instalación del economizador.

6 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Recuperación de calor dependiendo de las características de la instalación (temperatura y caudal de gases, temperatura de agua de alimentación, etc.). Ahorro energético en torno al 5-7% del consumo de combustible en la generación. Recuperación bruta de la inversión en torno a los 9-15 meses. Emisiones atmosféricas evitadas en función del ahorro de combustible.

7 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Caldera de vapor LOOS, modelo UNIVERSAL UL-S-IE con economizador integrado

8 CALDERAS CON ECONOMIZADOR Parámetros Caldera vapor sin economizador Caldera vapor con economizador O 2 (%) 3,4 3,4 CO (ppm) 0 2 Tª Humos (ºC) Tª Ambiente Rendimiento PCS (%) 77,41 81,58 Mejora rendimiento (%) 5,11% AHORRO ENERGETICO (kwh/año) AHORRO ECONOMICO ( /año) AHORRO EMISIONES DE CO 2 (Tn/año) 39,25

9 CALDERAS DE CONDENSACIÓN Aprovechamiento del poder calorífico superior (calor latente vapor de agua contenido en los gases de combustión). Mayor potencial de aprovechamiento en Gas Natural: Mayor contenido en vapor de agua. Punto de rocío mas alto de los gases de combustión. Condensado con ph más alto. Humos de combustión sin azufre ni hollín. Principal aplicación calderas de calefacción y ACS (sector residencial y servicios). En Industria mediante economizadores (doble etapa).

10 CALDERAS DE CONDENSACIÓN Rendimientos i superiores al 100% respecto al poder calorífico inferior. Importante disminución del consumo energético (hasta un 10% del combustible empleado en la generación) dependiendo de las características del proceso. Periodo de amortización en torno a los tres años en el sector residencial respecto a una caldera convencional. Reducción de emisiones de contaminantes a la atmósfera asociados al consumo de combustible.

11 CALDERAS DE CONDENSACIÓN Principalmente calderas que utilicen combustibles gaseosos (incluso gasóleo con bajo contenido en azufre >0,005% en peso). Los circuitos de la instalación sometidos a condensación de los gases de combustión se deben ejecutar en materiales resistentes it t a la corrosión yestancos al agua (esencialmente acero inoxidable). Incremento en los costes de inversión. ió En el caso de la industria requiere la necesidad de disponer de receptores de baja temperatura para aprovechar la segunda etapa de recuperación de calor.

12 CALDERAS DE CONDENSACIÓN

13 CALDERAS DE BIOMASA Aprovechamiento productos obtenidos a partir de materia orgánica como combustible y producir energía. Algunos productos utilizados como Biomasa: Astillas, pellets, paja. Orujillos de aceite y uva. Huesos de aceitunas y cáscaras de frutos secos. Residuos forestales y de industrias de la madera. Aplicación en calefacción y ACS sector residencial y servicios, calor en procesos industriales y generación de electricidad. Potencia de las calderas en función de su uso (entre kw en calefacción, por encima de 1 MW para procesos industriales y hasta 25 MW en generación de electricidad.

14 CALDERAS DE BIOMASA Elección de la caldera de acuerdo a: Fiabilidad del sistema. Rendimiento de la combustión de la caldera. Cumplimiento de la normativa de emisiones de gases y partículas. Automatización y regulación y control sencillos para el usuario. Fácil mantenimiento y operatividad de la caldera Garantía de suministro de combustible. Rendimientos hasta el 85-92%, similares a calderas de gasóleo y gas natural.

15 CALDERAS DE BIOMASA Balance neutro en las emisiones de CO 2 puesto que cierra el ciclo de carbono comenzado con el crecimiento de la planta origen de la biomasa. Emisiones a la atmósfera similares a gasóleos y gas natural y menores que los combustibles sólidos debido a su bajo contenido en azufre, nitrógeno y cloro. Valorización de materiales residuales a eliminar mediante su aprovechamiento energético. Contribución al desarrollo de nuevas actividades económicas y activación del medio rural a través de la creación de puestos de trabajo, infraestructuras y servicios.

16 CALDERAS DE BIOMASA Necesidad de disponer de un espacio de almacenamiento. Dependencia de suministro de combustible (red de distribución no demasiado extensa. Mayor coste de inversión inicial. La producción de electricidad requiere una instalación más compleja por las características del combustible lo que supone: Inversión más elevada. Rendimiento menor. Dificultad de aprovisionamiento de combustible debido a la gran cantidad necesaria y la obligación de asegurar un abastecimiento continuo.

17 CALDERAS DE BIOMASA Planta de biomasa para generación de electricidad de 25 MW. Requiere un consumo de unos tep. Rendimiento medio del 33% frente al 55% de una instalación de ciclo combinado. Costes de inversión en torno a dos veces los de una planta de ciclo combinado (1.400 /kw instalado frente a 700 /kw). Emisiones de CO 2 neutras frente a las tn de un ciclo combinado para la misma producción. Emisiones de otros GEI (CH 4 yn 2 O) similares.

18 REGULACIÓN ELECTRÓNICA CALDERAS Y QUEMADORES Las centralitas de regulación electrónica mejoran la respuesta de los equipos frente a las oscilaciones y se ajustan al punto de funcionamiento demandado. Los parámetros que se pueden controlar son: La relación aire-combustible del quemador. Medición y regulación de temperaturas (gases, combustible, agua de alimentación, etc.). Medición de caudales (vapor, agua de alimentación, combustible, etc.). Sistemas de regulación más completos permiten integrar elementos como variadores de frecuencia de ventiladores, medición en continuo de O 2 y CO, purgas y tratamiento de agua de alimentación.

19 REGULACIÓN ELECTRÓNICA CALDERAS Y QUEMADORES Ventajas de la regulación electrónica: Se integra en un mismo equipo todas las funciones de control y regulación de los distintos equipos de la instalación. Se incrementa notablemente la precisión de la regulación, frentealaregulaciónmanual. Permite la incorporación de otros equipos a la instalación para optimizar la misma. El control de temperaturas por termosondas y optimizar los consumos energéticos. Automatización del sistema de alimentación y de las purgas para dosificar la adición de productos químicos y controlar la purga de la caldera.

20 REGULACIÓN ELECTRÓNICA CALDERAS Y QUEMADORES Otras posibilidades: Variador de frecuencia para ajustar consumo del ventilador adecuado a la potencia del quemador en cada momento. Medición en continuo de los parámetros de los humos de combustión como O 2 y CO para conocer el ratio airecombustibleencadainstanteyregularelexcesodeaireen los valores óptimos. Con un variador de frecuencia se pueden obtener ahorros entre el 30-50% según la potencia en cada momento o cuando se encuentra entre el 20-80% del valor de carga. Engenerallaregulaciónautomáticadelainstalación,permite un ahorro medio quepuedeoscilar entreel6yel10%.

21 SOLUCIONES DE PURGAS EN CALDERAS Control de purgas: Eliminar los productos químicos utilizados en el tratamiento del agua de alimentación para evitar corrosiones, incrustaciones, espumas, etc. Conseguir que el agua de alimentación tenga las características adecuadas y de acuerdo a normativa. Control continuo o instantáneo y de manera manual, semiautomático o automático. Las pérdidas por purgas excesivas se pueden situar en torno al Las pérdidas por purgas excesivas se pueden situar en torno al 0,5% y 2%.

22 SOLUCIONES DE PURGAS EN CALDERAS Recuperación de calor de purgas (dos métodos): Flash simple: Agua de purgas a depósito de expansión, donde se produce vapor flash al disminuir la presión. Este se lleva al depósito de agua de alimentación para calentarlo. Flash múltiple: l Se somete el agua de purgas a sucesivas operaciones de expansión, obteniendo vapor a diferentes presiones para su uso en procesos. El calor que se pierde en purgas se halla en torno al 2,5%, siendo la recuperación mediante estos métodos hasta del 60%, lo que supone un ahorro energético de hasta el 1,5%.

23 RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS A PRESIÓN Los condensados generados en una instalación de vapor se deben retirar de la misma, ya que: Pueden generar problemas de corrosión y golpes de ariete. Disminuye la transmisión de calor. La recuperación de condensados supone recuperar un alto porcentaje del calor empleado en proceso. Se aprovecha parte del agua de alimentación ya tratada. La recuperación puede hacerse a presión atmosférica (más común) o a presión de trabajo, en ambos casos para aumentar la temperatura del agua de alimentación. Ahorros energéticos entre el 3-8% del calor del combustible Ahorros energéticos entre el 3 8% del calor del combustible respecto a la recuperación a presión atmosférica.

24 RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS A PRESIÓN La recuperación de condensados a presión requiere de una instalación más complicada. En algunos casos existe posibilidad de contaminación de los condensados por el producto tratado (Recuperación indirecta de calor). Costes de inversión superiores debido a la mayor complejidad de la instalación lo que supone periodos de retorno superiores (en torno a 3-4 años). Mayores posibilidades de implantación en situaciones de precios de combustibles altos.

25 QUEMADORES DE BAJO NOx La formación de NO x en la combustión se distinguen dos tipos: NO x térmico: EL N 2 del aire de combustión se combina con el O 2 a altas temperaturas y depende de está. O 2 a altas temperaturas y depende de está. NO combustible: Se forma por oxidación del nitrógeno ligado químicamente al combustible. Quemadores convencionales inyectan la mezcla combustible y aire en la misma zona. Reducción de NO x mediante: Combustión en varias fases. Recirculación gases de combustión a zona de combustión. Creación de segunda zona de requemado por inyección Creación de segunda zona de requemado por inyección adicional de combustible.

26 QUEMADORES DE BAJO NOx Quemadores de bajo NO x modifican los medios de introducir el aire y combustible para: Retardar la mezcla. Reducir la disponibilidad de oxígeno. Reducir la temperatura pico de la llama. Actualmente equipos más desarrollados utilizan la técnica de reparto combustible. p Reducción de NO x en una proporción que oscila entre 30-60% según el tipo de combustible Ahorro energético por la regulación automática del ratio airecombustible en torno a 1-2%.

27 QUEMADORES DE BAJO NOx Incremento de los costes de inversión respecto a los convencionales (en torno al 20%). Costes de inversión no justificados por ahorro energético. La razón principal de su colocación es el control de emisiones La razón principal de su colocación es el control de emisiones de NO x.

28 QUEMADORES RECUPERATIVOS Aprovechan parte de la energía de los productos de combustión sin evacuarlos por la chimenea. Dos sistemas típicos: Tubo radiante interior largo. Tubo interior i corto (mejores prestaciones). Consta de: Conjunto de tubos radiantes (interior-exterior). Intercambiador de calor. Conjunto quemador. Sistema catalítico de reducción de inquemados.

29 QUEMADORES RECUPERATIVOS Pueden trabajar con excesos de aire inferiores a uno frente a los convencionales que van desde un 5% hasta 15-20% e, incluso un 50%. Menores excesos de aire supone una mejora en la eficiencia de la combustión. Los principales sectores de uso son la metalurgia férrea y no férrea (hornos de fundición y tratamientos térmicos). Ahorros energéticos de hasta el 12% frente a los quemadores convencionales. Reducción de emisiones de contaminantes asociados a la disminución del consumo de combustible.

30 QUEMADORES RECUPERATIVOS Costes de inversión superiores a los de los quemadores convencionales. Periodos de retorno de la inversión relativamente altos para la industria, en torno a los 6-7 años como media. Mayores posibilidades para su implantación en situaciones de precios de combustibles elevados.

31 QUEMADORES OXI-COMBUSTIBLES Consiste en el empleo de oxígeno puro o mezclas de aire enriquecidas con oxígeno (porcentajes por encima del 21%) para la combustión en lugar de las mezclas combustible-aire de los quemadores convencionales. Supone un incremento significativo de la temperatura de la llama alcanzada para cualquier combustible y una mejora de la trasferencia térmica a la carga (el producto absorbe mayor calor). Los quemadores oxi-combustibles utilizan oxígeno al 100% como comburente. Para procesos que requieren o admiten elevadas temperaturas o una transmisión de calor alta.

32 QUEMADORES OXI-COMBUSTIBLES Las ventajas frente a los convencionales son: Incremento de la producción. Reducción del consumo energético. Menor volumen de humos y emisiones de NOx. Menor emisión de ruido. Los principales sectores de uso son los del aluminio, vidrio y acero. Ahorros energéticos de hasta el 40-50% frente a los quemadores convencionales. Reducción de emisiones de contaminantes asociados a la disminución del consumo de combustible.

33 QUEMADORES OXI-COMBUSTIBLES Limitación de uso a procesos de combustión que requieren o admiten elevadas temperaturas o una transmisión de calor alta. Costes de inversión superiores a los de los quemadores convencionales. Periodos de retorno de la inversión relativamente altos para la industria, en torno a los 5-10 años como media. Mayores posibilidades para su implantación en situaciones de precios de combustibles elevados y fuertes consumos energéticos.

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