RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN MANTENIMIENTO Y AJUSTES DE LA COMBUSTIÓN EN 50 CALDERAS INDUSTRIALES

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1 1 er CONGRESO INTERNACIONAL DE MANTENIMIENTO TEMA : RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN MANTENIMIENTO Y AJUSTES DE LA COMBUSTIÓN EN 50 CALDERAS INDUSTRIALES Expositor : ING. VICTOR ARROYO CH. Consultor energético y ambiental Lima, de octubre de

2 INTRODUCCIÓN La presente ponencia describe los resultados de una serie de trabajos de diagnóstico del mantenimiento y ajuste de los sistemas de combustión que realizó CINYDE en 50 calderas de diversas plantas industriales a nivel nacional. 2

3 OBJETIVOS Demostrar cómo un mantenimiento adecuado de los sistemas de combustión de las calderas de vapor permiten mejorar sus eficiencias y reducir sus emisiones al ambiente. Hacer conocer las herramientas necesarias para lograr ello. 3

4 CONSIDERACIONES PREVIAS Los procesos de combustión en calderas consumen mucha energía en forma de combustibles : Diesel N 1 y 2. Residuales N 5, 6 y 500. La relación C/H, los contenidos de Nitrógeno y Azufre y la dificultad de combustión se incrementa en la siguiente serie : Diesel-1 Diesel-2 Residual-6 Residual-500 4

5 CONSIDERACIONES PREVIAS Cuando se quema un combustible, a mayor relación C/H : Mayores emisiones de CO 2 (gas de efecto invernadero). Mayores emisiones de CO, NOx, SO 2 y partículas (contaminantes del ambiente). Los combustibles livianos producen una combustión más rápida y limpia que los combustibles pesados. 5

6 CONSIDERACIONES PREVIAS Una combustión eficiente requiere que el combustible sea suministrado al quemador en condiciones adecuadas : Presión Temperatura Exceso de aire También que el estado de mantenimiento del sistema de combustión sea óptimo. 6

7 CONSIDERACIONES PREVIAS Efectos de los parámetros de combustión Los parámetros de combustión influyen en la eficiencia de combustión y en la producción de emisiones al ambiente. 1) Efecto del exceso de aire Exceso de aire (%) = (n 1) x 100 n = 21 / (21 - %O 2 ) Punto de vista energético : Excesos de aire demasiado altos implican derroche de energía. Excesos demasiado bajos producen inquemados (CO y partículas de hollín), es decir energía no aprovechada. 7

8 CONSIDERACIONES PREVIAS Punto de vista ambiental : Altos niveles de CO y hollín pueden significar contaminación ambiental, lo cual es fácil de controlar mediante el exceso de aire. Las emisiones de SO 2 no dependerán mayormente del exceso de aire. Las emisiones de NOx pueden reducirse por efecto del enfriamiento de llama y por la acción reductora del CO, ambos dependientes del exceso de aire. 8

9 CONSIDERACIONES PREVIAS 2) Efecto de la temperatura del combustible El calentamiento del Residual 6 ó 500 es importante para una buena atomización, su mezcla con el aire y lograr una combustión eficiente. 3) Efecto de la presión combustible y medio de atomización Afectan la relación aire/combustible, consumo de combustible, control de la combustión y en las emisiones de gases. 9

10 Cuadro Nº 1 Niveles recomendados de parámetros de combustión (1) (quemadores de tiro forzado) Parámetro Combustible Diesel 2 Residual 6 Residual 500 Exceso de aire (%) Temperatura de atomización ( C) Atomización mecánica Atomización con vapor Concentración de gases (máximo) : Oxigeno O 2 (%) Monóxido de Carbono - CO (ppm) Opacidad máxima (Ind. Bacharach) (1) Estos valores pueden variar ligeramente 10

11 CONSIDERACIONES PREVIAS Requerimientos de mantenimiento Para lograr que los parámetros de combustión alcancen sus niveles recomendados, es necesario que el sistema de combustión esté en buen estado de mantenimiento. Bombas. Filtros. Calentador. Válvula moduladora de combustible. Regulador de presión. Boquilla de atomización del quemador. Difusor de aire. Cono refractario. Manómetros y termómetros. 11

12 TRABAJOS REALIZADOS Los trabajos realizados tuvieron como objetivo el mejoramiento de la eficiencia de las calderas mediante un ajuste de los parámetros de combustión. Previamente se evaluó el estado del mantenimiento de los sistemas de combustión; ya que es requisito fundamental antes del ajuste. 12

13 TRABAJOS REALIZADOS METODOLOGIA 1) Reconocimiento Consistió en conocer las características de la calderas y de los componentes de los sistemas de combustión. Tipo pirotubular en su mayoría. Quemadores tipo cañon. Presiones de diseño de 200 psig máximo 13

14 DATO Cantidad Porcentaje Capacidad (BHP) < > Antigüedad (años) < > Combustible Cuadro N 2 Datos de 50 calderas evaluadas Diesel 1 2 Residual

15 TRABAJOS REALIZADOS 2) Evaluación del estado del mantenimiento Conocer el estado del mantenimiento de los componentes del sistema de combustión en base a inspecciones, pruebas y datos del personal de mantenimiento. 15

16 TRABAJOS REALIZADOS Los puntos básicos evaluados fueron : Aislamiento del casco de la caldera : estado Bombas : presión de descarga, sellos (fugas), rpm. Filtros : estado de malla, número de malla. Calentadores : limpieza, controles termostáticos. Válvula moduladora de combustible: fugas, regulación, componentes internos. Regulador de presión: presión, componentes internos. Tobera de atomización del quemador: estado. Difusor de aire: estado. Cono refractario: estado. Manómetros y termómetros: estado. 16

17 TRABAJOS REALIZADOS 3. Mediciones de combustión Se realizaron mediciones para conocer los parámetros de combustión básicos: Exceso de aire (reflejado por oxígeno en chimenea) Opacidad de gases (presencia de hollín). Temperatura de gases. Presión de inyección de combustible y medio de atomización 17

18 TRABAJOS REALIZADOS Se utilizaron los siguientes equipos Analizador de gases electrónico : O 2, CO, CO 2, SO 2 y NOx Analizador de gases volumétrico : O 2 y CO 2 Opacímetro (probador de humos) : contenido de hollín. Temperatura de gases: termómetro bimetálico o termocupla J. Presiones de combustible y medio de atomización : manómetros locales. 18

19 TRABAJOS REALIZADOS 4. Ajustes de la combustión En aquellos casos en que el estado del mantenimiento de los sistemas de combustión lo permitieron, se realizaron ajustes de los mismos. 19

20 RESULTADOS DEL TRABAJO 20

21 RESULTADOS DEL TRABAJO ESTADO DEL MANTENIMIENTO En resumen, los componentes que más fallas presentaron fueron : Toberas de los quemadores (90%) : desgaste debido a su antigüedad (hasta 15 años en algunos casos). Lo recomendable es 3 años máximo. Válvulas reductoras de presión y moduladoras de flujo de combustible: mala atomización. Instrumentación: no era posible saber con certeza los valores de los parámetros de combustión. Conos refractarios y difusores de aire : combustión deficiente que demandaban usar más exceso de aire del necesario. 21

22 RESULTADOS DEL TRABAJO ESTADO DE LA COMBUSTION Y EFICIENCIAS DE LAS CALDERAS El mal estado de los componentes de los sistemas de combustión en la mayoría de las calderas, obligaba a los operadores a usar más exceso de aire para reducir el hollín y CO. En muchos casos (los mas graves) ello no bastaba, pues aún presentaban altos niveles de inquemados. Como consecuencia de todo ello las eficiencias térmicas de las calderas fueron menores al óptimo. 22

23 Cuadro N 3 Estado de parámetros de combustión y eficiencia térmica promedio de algunas calderas (situación encontrada) PARAMETRO Caso 1 Caso 2 Caso 3 Valor (1) Regular Mal Grave Recomend O 2 (%) max CO (ppm) max Temp. gases ( C) max Opacidad de gases (IB) max Exceso de aire (%) máx Efic- térmica - PCS (%) (1) Valor recomendado para el Residual-6. 23

24 RESULTADOS DEL TRABAJO RESULTADOS DE LOS AJUSTES DE EXCESO DE AIRE Se realizó un ajuste del EA en aquellas calderas cuyo estado del sistema de combustión lo permitieron. Se redujo el EA y opacidad al mínimo posible. - Oxigeno : 3.5 a 4% - Opacidad : Indice de Bacharach de 3 a 4. En varias calderas no pudo realizarse un ajuste completo por fallas en el sistema de combustión. En otras calderas con fallas subsanables el ajuste del EA fue completo y se llegó a eficiencias cercanas al óptimo de 83% (base PCS). 24

25 Cuadro N 4 Resultados de eficiencia térmica de 50 calderas Rango de Eficiencia Situación mejorada con Situación ajuste de combustión encontrada Cantidad % Cantidad % < a a a Nota : la eficiencia térmica óptima es 83% (base PCS) 25

26 AHORROS LOGRADOS Los ahorros de combustible logrados por el incremento de la eficiencia fueron: Calderas graves : hasta 18.9 %!! Promedio de las 50 calderas : 3.8%. De haber estado los sistemas de combustión en buen estado, el ahorro promedio pudo ser de un 5.4%. 26

27 REDUCCIÓN DE EMISIONES AL AMBIENTE El mantenimiento y ajuste de los sistemas de combustión permitió reducir los niveles de emisión. Parámetro Cuadro N 5 Emisiones de chimenea de calderas Antes de mantto y ajuste Después de mantto y ajuste CO (ppm) NOx (ppm) SO 2 (ppm) Indice de Bacharach 9 3 Partículas (mg/nm 3 )

28 CONCLUSIONES 1. Las fallas más comunes que se presentan en los sistemas de combustión de las calderas son : Toberas de los quemadores : 90% de los casos Válvulas moduladoras de combustible: 62% V.R.P de combustible: 58% Conos refractarios: 22% Difusores de aire: 18% Resultado final : Combustión deficiente, bajas eficiencias de las calderas y mayores emisiones al ambiente! 28

29 CONCLUSIONES 2. El mantenimiento de los sistemas de combustión permite ajustar adecuadamente el exceso de aire, reducir los inquemados (CO y hollín), mejorar la eficiencia de las calderas y ahorros de energía en la planta. 3. Los beneficios ambientales son por las menores emisiones de CO 2 NOx, SO 2, CO y partículas (hollín). 4. El mantenimiento y la adecuada operación de los sistemas de combustión permiten reducir las emisiones en el origen y es mejor que la depuración de gases. 29

30 RECOMENDACIONES 1. Los responsables de mantenimiento de las plantas deben mejorar el mantenimiento preventivo de los sistemas de combustión en las calderas de vapor. 30

31 RECOMENDACIONES 2. En términos generales los puntos que deberán ser atendidos, a fin de lograr un ajuste óptimo de sus parámetros son: Quemadores : Cambio de boquillas (3 años máximo). Limpieza adecuada de boquillas- Limpieza de difusores y cambio de los deteriorados. Resane o cambio de conos refractarios cuando se deterioren. Reparación o cambio de válvulas moduladoras de combustible. 31

32 RECOMENDACIONES Ventiladores : Limpieza de registro, damper e impulsor. Controles : Fijación de las varillas del mecanismo regulador de la relación airecombustible. Instrumentos : Buen estado de manómetros de aire/vapor de atomización y combustible. Buen estado de termómetros de combustible y gases de chimenea. 32

33 RECOMENDACIONES Calentadores de combustible : Limpieza de tubos. Mantenimiento o cambio de válvulas de bloqueo, reguladoras, alivio, etc. Cambio de trampas de vapor que fallan. Bomba de combustible : Cambio de sellos que fugan. Limpieza interna de elemento impulsor y carcasa. Cambio de fajas deterioradas y sueltas. 33

34 RECOMENDACIONES Filtros : Limpieza permanente. Compresor de aire : Limpieza o reemplazo de paletas gastadas. Limpieza o cambio de paño filtrante en la succión de aire. Termómetros : Limpieza de elemento sensor. Calibración de termómetros o cambio cuando sea necesario. 34

35 RECOMENDACIONES 3. Es importantísimo realizar después de cada mantenimiento pruebas y ajustes periódicos de la combustión (p.ej. cada 3 meses). 4. Es necesario contar con los equipos idóneos (analizador de gases y opacímetro); y personal especializado en combustión. 35

36 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION! ING. VICTOR ARROYO CHALCO Consultor Energético Ambiental Natalio Sanchez 220 Of. 307, Lima 11, Perú Tel