LA INCORPORACIÓN DEL GAS NATURAL EN EL DISEÑO DEL QUEMADOR PRINCIPAL DEL HORNO CEMENTERO

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1 LA INCORPORACIÓN DEL GAS NATURAL EN EL DISEÑO DEL QUEMADOR PRINCIPAL DEL HORNO CEMENTERO 1. PRESENTACIÒN Desde hace 20 años hemos logrado demostrar con resultados que la llama cónica hueca representa la única posibilidad de optimizar la combustión y controlar el proceso de clinkerización en el horno, optimizando su rendimiento, costos operativos y calidad del clínker producido. Al establecer con la Teoría Inorgánica de la Combustión que la formación de llama constituye fundamentalmente un problema de mecánica de fluidos, logramos simplificar el diseño del quemador principal del horno para quemar combustibles sólidos y líquidos, poniéndolos a disposición del aire primario como flujo dominante, con la potencia y los impulsos necesarios para disponer de la llama con la forma y posición que le corresponde. Al incorporar el gas natural al quemador principal, el impulso adicional que aporta y su facilidad de combustión, terminan complicando la operación y regulación de los quemadores comerciales, los cuales mantienen el aire primario porque tal complejidad les conviene a sus intereses comerciales. Como nosotros trabajamos exclusivamente con objetivos de carácter técnico, después de muchos análisis, experiencias bancos de pruebas y hornos, hemos logrado demostrar que cuando disponemos de gas natural, no necesitamos utilizar aire primario. En este artículo mostramos los fundamentos técnicos y los diseños propuestos como prototipo general, habiendo llegado a la conclusión de que el quemador ideal para cada horno específico individual, resultará el que sea diseñado, montado y operado por los propios ingenieros responsables de su funcionamiento, mantenimiento, control operativo del sistema y control de calidad del clínker producido.

2 2. FUNDAMENTOS TÈCNICOS DE COMBUSTIÒN Y QUEMADORES PARA HORNOS CEMENTEROS Han transcurrido muchos años y hemos vivido muchas experiencias, buenas y malas, hasta definir con precisión y seguridad el diseño básico del quemador apropiado para conformar una llama cónica hueca, adecuada en el horno cementero y muchos reactores de combustión de la industria en general. Para conseguir tal objetivo, ha resultado de la mayor importancia la formulación y aplicación de nuestra Teoría Inorgánica de la Combustión, la cual ha demostrado en forma teórica y práctica, que todos los combustibles son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido también variable de impurezas, y que todos queman en la misma forma, disociándose en sus componentes antes de quemarse, produciéndose la combustión heterogénea en forma simple, básica y elemental : 2H + O 2 = H 2 O y C + O 2 = CO 2. En primer lugar, logramos establecer los parámetros de diseño adecuados; inicialmente utilizamos un número mayor, pero finalmente la experiencia nos ha demostrado que resultan suficientes solamente 2 : Potencia Específica (P E ) en Newtons/Gcal Swirl (Sw) como el porcentaje del impulso rotacional del aire primario, respecto al total. Aplicando estos dos parámetros podemos establecer las condiciones requeridas para el nivel de dificultad de los combustibles a utilizar y adaptar nuestro diseño a las características dimensionales del horno rotatorio. Una condición particular de la combustión en hornos cementeros la establece la incorporación del gas natural, por constituir al mismo tiempo combustible que aporta poder calorífico, pero también impulso que aporta energía cinètica a la mecánica de fluidos que establece las condiciones de formación de llama.

3 Después de muchos análisis, estudios y experiencias del tema, hemos llegado a la conclusión de que disponiendo de gas natural como combustible, en el diseño del quemador para el horno cementero se puede prescindir del aire primario, aportando la energía cinética para formación de llama con los impulsos aportados por el gas natural, manteniendo el ventilador de aire primario en stand by para ser utilizado solamente en caso de desabastecimiento de gas natural, quemando combustibles alternos sólidos y/o líquidos. Para optimizar definitivamente la combustión y formar la llama cónica hueca que permitirá eliminar los problemas de impacto de llama y conformar las zonas adecuadas para perfecto desarrollo del proceso en el horno cementero (Figura 1), hemos considerado la conveniencia de diseñar un quemador prototipo para hornos quemando combustibles sòlidos y líquidos (QPT-Percy F1-S/L) y otro para quemar Gas Natural en forma conjunta con combustibles alternos sòlidos y/o líquidos. Figura 1 Definiciòn de Zonas en el Horno Cementero 2.1 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES SÒLIDOS Y/O LÌQUIDOS El quemador prototipo aplicable a cualquier horno cementero rotatorio, resulta bastante simple y elemental, estando conformado siempre por los siguientes componentes:

4 Ventilador de aire primario, con capacidad suficiente para proporcionar el flujo de aire necesario (alrededor del 10% del aire total de combustión) con la presión estática suficiente para suministrar los impulsos (potencia) para conformar la llama cónica hueca. La necesidad de disponer de un mínimo de 200 milibares en la descarga, define este equipo como lo que los técnicos llamamos un turbo-ventilador que ya califica como soplador. Disponer de un ventilador de características de diseño suficientes y adecuadas resulta indispensable para poder conformar nuestra llama cónica hueca. El diseño de la tobera permitirá la distribución de impulsos específicamente correcta para cada horno individual. Cuerpo del quemador con dimensionamiento y conformación suficiente y adecuada para suministrar los flujos de aire primario y combustibles utilizados, en condiciones previstas en el diseño de la tobera del quemador. El diseño aerodinámico de cada uno de los ingresos de aire debe asegurar la menor caída de presión y en el caso del aire de transporte de carbón pulverizado, velocidad adecuada para evitar erosión o sedimentación, asegurando siempre estar siempre fuera del rango de inflamabilidad (250 a 2500 gr/m 3 ). El diseño aerodinámico del cuerpo del quemador minimiza las pérdidas de presión en los flujos y facilita las maniobras para mantenimiento y regulación en la plataforma del horno. Tobera (puntera) del quemador con el diseño adecuado para manejo conveniente de la mecánica de fluidos que permita establecer la cinética de la reacción química y conformación de la forma de llama cónica hueca, disponiendo de los siguientes componentes desde la parte interna hacia el exterior: Tubo portalanza donde se alojará el atomizador de combustible líquido, necesario para calentamiento del horno en quemadores para sòlidos/líquidos.

5 Ingreso a baja presión del aire central, necesario para evitar que se produzca vacío en el interior de la llama, formando la depresión interna que constituye el hueco de la llama cònica hueca, facilitando el objetivo de que la llama se cierre en lugar de abrirse. Inyección de flujo de aire rotacional pasando a través de una roseta que le imprimirá la rotación con el ángulo adecuado en función de la dificultad del combustible. Facilita la turbulencia interna de la llama que favorece la velocidad de reacción heterogénea, acortando el tiempo de reacción y la longitud de llama. Inyección exterior, preferiblemente a través de toberas circulares con el diámetro y cantidad requerida para suministrar el impulso axial necesario para succionar el aire secundario con el oxígeno necesario para completar la combustión. Al prevalecer este impulso en el conjunto establece el contorno de la llama, orientándose hacia el centro por la depresión central creada por los aires central y rotacional. Para efectos de mayor claridad en la Figura 2 mostramos un modelo básico, considerando solamente la utilización de combustibles lìquidos, apreciándose en la figura complementaria, los flujos que participan en la mecánica de fluidos y que debidamente dimensionados y regulados permitirán la conformación de llama cónica hueca. Figura 2 Tobera prototipo y concepción funcional de los flujos dominantes Para inyección adicional del aire de transporte y carbón pulverizado, con el impulso mínimo necesario para ser succionado y controlado por el flujo dominante del aire primario, se utilizará un conducto hacia el interior del impulso rotacional (rojo), permitiendo que su radio giratorio frene y atrape las partículas de carbón.

6 La pieza refractaria exterior que se prolonga unos 5 10 cm respecto al plano de la tobera, permite un conveniente perfilado de la llama hacia el centro, compensando el efecto Coanda, consistente en la tendencia del flujo a pegarse a la pared exterior. Este diseño y concepción funcional simple, práctico y efectivo del quemador principal del horno cementero resulta tecnológicamente perfecto y su capacidad para formación de llama cónica hueca permite transformar el proceso de fabricación también hacia la simplicidad, al eliminar la mayoría de los problemas que confrontan los hornos cementeros, al establecer condiciones termodinámicas apropiadas para el desarrollo del proceso de clinkerización, permitiendo alcanzar niveles de estabilidad de variables operativas que se traducen en elevados niveles de productividad y consumos específicos muy cercanos a los ideales. En la Figura 3 presentamos el diseño y todos los detalles de conformación del Quemador QPT-Percy F1- S/L/A. Figura 3 Quemador QPT-Percy F1 S/L/A El dimensionamiento y definición de toberas axiales, áreas y ángulos de impulso de fluos rotacionales, áreas del aire central y de ingreso del combustibles sólidos cpn aire de transporte y la incorporación de combustibles alternos, deben definirse al efectuar su diseño en cada planta, específicamente para cada horno individual; al efectuar este trabajo con los ingenieros responsables del proceso, no solamente dispondremos de un quemador perfecto para cada horno, sino también el equipo de RRHH para asegurar su correcto funcionamiento.

7 2.2 QUEMADORES PARA GAS NATURAL Y COMBUSTIBLES ALTERNOS SÒLIDOS Y/O LÌQUIDOS En el modelo anterior de quemador, los combustibles sólidos y líquidos debidamente preparados en las operaciones de pre-combustión, al igual que el aire secundario procedente del enfriador, se ponen a disposición de los impulsos del aire primario como flujo dominante, desarrollándose la combustión en forma heterogénea entre las partículas de coque producto de la disociación de carbono/hidrógeno con un diámetro promedio de micras. Al incorporar en este escenario Gas Natural, se introducen factores que alteran la concepción del proceso de combustión y formación de llama: El gas natural al disociarse produce partículas de coque de Angstrons, las cuales se queman violentamente con las condiciones establecidas por los impulsos del aire primario (turbulencia), produciendo un fuerte incremento de la cinética de reacción de todo el conjunto. Debido a su condición de gas, la inyección de gas natural también aporta impulso que incrementa la potencia específica, produciendo una excesiva velocidad de succión del aire secundario y el consiguiente acortamiento adicional de la llama. La eliminación del aire primario, utilizando exclusivamente el gas natural en una doble función de aportar poder calorífico como combustible y los impulsos para formación de llama como flujo dominante, tiene 2 importantes ventajas: Permite utilizar 100 % de aire secundario caliente incrementando la recuperación de calor útil del enfriador, mejorando la eficiencia térmica del sistema. Permite ahorrar los Kw-h consumidos por el ventilador (soplador) de aire primario, mejorando el consumo especìfico eléctrico y costos perativos. Sin embargo, la excesiva facilidad de combustión del gas natural en el reactor ideal que constituye el horno cementero, presenta un inconveniente que debe controlarse y/o compensarse: La emisividad de llama de gas natural alcanza valores de 0.4, inferiores a la alta emisividad de combustibles líquidos (0.9) y sólidos (1.0), lo que determina menor eficiencia de transferencia de calor por radiación, lo que puede provocar disminución de potencia térmica en la zona crítica, insuficiente para mantener las condiciones requeridas de temperatura de clinkerización, transportándose mayor cantidad de calor con los gases circulantes, provocando excesivo calor en la parte posterior del horno y el precalentador, produciéndose un ciclo termodinámico inconveniente en el sistema.

8 Para controlar este problema, se tienen dos alternativas: Disminuir el exceso de aire para subir la temperatura de la llama, favoreciendo la transferencia de calor por radiación, proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Quemar el gas natural en forma conjunta con combustibles alternos difíciles de quemar y alta emisividad de llama. En general, en todos los casos, se debe considerar como factor determinante para conseguir combustión completa y conformación de llama cónica hueca en el horno, el manejo equilibrado de la TERMOFLUIDODINÀMICA DE LA COMBUSTIÒN. En la Figura 4 se presenta el quemador QPT-Percy F2 GNA adoptado como prototipo para quemar gas natural sin aire primario y con combustibles alternos sólidos y/o líquidos; igualmente su dimensionamiento final de toberas axiales y radiales, así como incorporar cierto nivel de rotacionalidad, las características de inyección de carbón y/o la atomización de Fuel OIl, deberán ser establecidas al efectuar su díseño y conformación definitiva y conveniente para cada horno individual, trabajando con los ingenieros de planta responsables del sistema productivo.. Figura 4 Quemador QPT Percy F1 - SL Se considera solamente una inyección central del combustible alterno, porque la disponibilidad de gas natural permite prescindir del combustible líquido cuando se emplea solamente combustibles alternos sólidos. En caso de desabastecimiento de gas existen 2 posibilidades para mantener el horno operativo, sin afectar la calidad de producción: Disponer de un Back Up de Gas Natural Alternativo (GNA) que es una mezcla de Gas Licuado de Petróleo (GLP) y alrededor de un 35 % de aire comprimido que lo convierte en un gas combustible d ela misma familia del Gas Natural, pudiendo utilizarse en las mismas instalaciones.

9 Mantener un ventilador de aire primario en stand by, efectuando el cambio de la tobera del QPT- Percy F2 GNL en el QPT-Percy F1- SL. 3. Posibilidad de modificar los quemadores comerciales existentes Todos los quemadores de hornos cementeros se basan en los mismos principios de funcionamiento, pero los diseñados y fabricados por los proveedores internacionales en este campo, Pillard, Unitherm, KHD, Polysius, Greco, Dinamys, etc los sobredimensionan y complican innecesariamente, no solamente para vender equipos más caros, sino también para provocar problemas en el sistema de producción de clínker que aprovechan muy bien con fines comerciales. En el Siglo XXI y en la Tercera Revolución Industrial de Innovación y Simplificación Tecnológica, ya resulta inconcebible que los empresarios y funcionarios de empresas cementeras sigan comprando a elevados precios quemadores fabricados en serie y sin capacidad para formación de llama cónica hueca, tales como : Novoflam, Polflame, MAS (Mono Airduct System), Duoflame, Greco, Dinamys, etc. En el caso de estos quemadores nuevos y los antiguos Rotaflam, Pyrojet, Swirlax, etc., todos los podemos modificar para simplificarlos y adaptarlos a nuestros diseños, pero muchos clientes prefieren fabricar nuevo el modelo diseñado en forma conjunta con el personal de planta, porque resultando relativamente simple y efectivo, su costo de fabricación es muy bajo comparado con los comerciales, pudiendo ser efectuado por la misma maestranza de la empresa cementera y/o un taller local. Figura 4 Quemadores específicamente diseñados para hornos cementeros, simples, eficientes y funcionalmente perfectos. Ing. Percy Castillo Neira Experto Internacional en Combustión y Procesos Industriales Consultor en Proyectos de Optimización Energética Director del ilitec