Los hornos y calderas son una parte integral de la mayoría de los sitios en las industrias de procesos. Abordar los problemas mejorará la eficiencia.
Por Alan Rossiter.
15 de noviembre de 2021
Algunas clases de equipos tienen un efecto desproporcionado sobre la eficiencia energética general. El principal de ellos es el equipo de combustión, que incluye hornos y calderas.
Los hornos y calderas son una parte integral de la mayoría de los sitios en las industrias de procesos. Los hornos se utilizan comúnmente para calentar y vaporizar las alimentaciones de hidrocarburos. Las calderas, por el contrario, solo producen vapor. Sin embargo, la clasificación no siempre es clara, ya que muchos hornos incorporan bancos de convección que producen vapor, además de su función de calentamiento de hidrocarburos. Un ejemplo importante de esto es el horno de pirólisis utilizado en las plantas de etileno, donde la producción de vapor del horno es una parte importante del proceso general.
La eficiencia energética (η) se puede definir mediante una ecuación simple:
η = (Energía útil) / (Energía suministrada)
La energía útil es la cantidad de calor entregada por el equipo encendido con fines "útiles", como calentar corrientes de proceso o producir vapor. La energía suministrada es el contenido de calor del combustible que se quema. Sin embargo, esto se puede definir de dos formas diferentes. El valor calorífico más alto (HHV) es el calor termodinámico de combustión, o la diferencia de entalpía entre todos los productos de combustión, incluida el agua condensada, y el combustible y el oxígeno antes de la combustión, a una temperatura estándar (comúnmente 77° F). El valor calorífico inferior (LHV) resta el calor necesario para condensar el componente de vapor de agua del producto de combustión, lo que básicamente implica que la energía no se puede recuperar condensando el agua en el gas de la chimenea. Cuando se habla de la eficiencia de los equipos encendidos, es importante indicar qué valor calorífico se está utilizando. En los Estados Unidos, las eficiencias de las calderas generalmente se calculan usando HHV, mientras que Europa usa LHV, lo que arroja un valor numérico más alto para la eficiencia. Muchos hornos modernos tienen una eficiencia neta de LHV superior al 94%, con una temperatura de chimenea de aproximadamente 230° F para hornos que queman gas combustible limpio. Las eficiencias de la caldera suelen ser menores.
Tres factores principales inciden en la eficiencia de los hornos y calderas, aunque las mayores ineficiencias suelen deberse a los dos primeros: pérdidas de temperatura y pérdidas por combustión.
1. Pérdidas de temperatura. ¿Qué tan caliente está el gas de la chimenea?
Las bajas temperaturas de la chimenea dan como resultado una alta eficiencia. Sin embargo, la absorción de calor de los gases de chimenea está limitada por dos factores principales:
i. Existe una compensación entre el costo del banco de convección (intercambiador de calor) y el valor de los ahorros de energía a medida que se reduce la temperatura de la chimenea. Por ejemplo, si la alimentación entra en la sección de convección de un horno grande a 230° F, la temperatura mínima económica de la chimenea es típicamente entre 260° F y 270° F.
ii. La temperatura de la chimenea generalmente debe permanecer por encima de la temperatura de condensación de los componentes ácidos de los productos de combustión: el punto de rocío del gas ácido. El punto de rocío ácido es muy sensible a la cantidad de azufre en la alimentación; típicamente se encuentra entre 220° F y 340° F. Si los ácidos se condensan, son muy corrosivos y pueden dañar rápidamente el equipo.
"Es importante indicar qué valor calorífico se está utilizando".
2. Pérdidas por combustión. ¿Se usa demasiado aire (exceso de oxígeno) o muy poco aire (exceso de combustible)?
Tanto demasiado como poco aire reducen la eficiencia. Si va demasiado aire a la cámara de combustión, el flujo de gas de la chimenea aumenta, por lo que a cualquier temperatura de la chimenea, el gas de la chimenea transporta más calor fuera de la chimenea. Por el contrario, si entra muy poco aire a la cámara de combustión, se producirá una combustión incompleta y se desperdiciará combustible. Además, la combustión incompleta puede provocar incendios en otras partes del horno o la caldera y también puede resultar en altas emisiones de monóxido de carbono tóxico de la chimenea.
3. Pérdidas de Carcasa. ¿Cuánto se pierde a través del cubierta o la carcasa del equipo?
Estas pérdidas son una función del aislamiento y sellado del equipo. Para los hornos y calderas modernos, las pérdidas de la carcasa son generalmente pequeñas (0,5-1,0%).
En las calderas y en los hornos que producen vapor, hay un cuarto tipo de pérdida a considerar: la pérdida por purga. Normalmente, entre el 2% y el 5% del agua suministrada para la producción de vapor se desecha en corrientes de purga para eliminar los sólidos disueltos y otros contaminantes. El contenido de calor de la purga es típicamente alrededor del 1% del calor del combustible quemado.
Información adicional:
Alan Rossiter & Beth Jones, ‘Energy Management and Efficiency for the Process Industries,’ AIChE/John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2015, Chapter 9.
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