Comprendiendo las Calderas de Vapor: Fundamentos y Aplicaciones

Fundamentos de Caldera de Vapor

Una caldera de vapor es un recipiente cerrado donde el agua se calienta bajo condiciones controladas para convertirla en vapor. Es básicamente un intercambiador de calor donde el calor se transfiere al agua. A veces llamada generador de vapor. Energía térmica suministrada por combustible (gas, líquido, sólido) o energía residual de procesos industriales. A veces energía solar. Vapor producido puede ser baja, media o alta presión. En contexto industrial, vapor usado como vapor de proceso en varios procesos o para accionar turbinas para generación eléctrica. Cada caldera diseñada para transferir máxima energía térmica al agua. Transferencia por conducción, convección y radiación. Porcentaje relativo depende de tipo, superficie de transferencia diseñada y combustibles.

Tipos Principales de Calderas

Dos tipos principales: caldera de tubos de fuego y caldera de tubos de agua.

Caldera de Tubos de Fuego (Fire Tube Boiler)

Consiste en tubos por donde pasan gases calientes. Estos tubos inmersos en agua, en recipiente cerrado. Un recipiente/carcasa contiene agua, por donde pasan tubos de gas caliente. Estos calientan agua y la convierten en vapor; vapor permanece en mismo recipiente. Usadas para capacidades de vapor relativamente pequeñas y presiones baja-media. Compactas, construcción empaquetada (packaged), más baratas.

Caldera de Tubos de Agua (Water Tube Boiler)

El agua se calienta dentro de tubos y gases calientes los rodean. Opuesto a tubos de fuego. Agua de alimentación fluye por tubos y entra en tambor de caldera. Agua circulada calentada por gases de combustión y convertida en vapor en espacio de vapor en tambor. Usada cuando demanda y presión de vapor son altas (procesos industriales y generación). Características: (i) disposiciones tiro forzado, inducido, balanceado mejorando eficiencia combustión, (ii) menor tolerancia calidad agua → necesidad planta tratamiento, (iii) mayores niveles eficiencia térmica.

Componentes de un Sistema de Caldera

Componentes principales: planta tratamiento agua, calentadores agua alimentación, desaireadores, bomba alimentación, economizador, sobrecalentador, atemperador, sistema vapor, condensador, bomba condensado. Además, conjuntos de controles para monitorear flujos agua/vapor, combustible, aire, adiciones químicas. Esquema flujo planta caldera en figura 1.

Figura 1: Esquema de diagrama de flujo de planta de caldera

Ampliamente, sistema caldera consta de: sistema agua alimentación, sistema vapor, sistema combustible. Sistema agua alimentación provee agua tratada y regula automáticamente para cumplir demanda vapor. Sistema vapor recoge y controla vapor producido. Vapor dirigido por tuberías a punto de uso. Sistema combustible incluye equipos para proveer combustible para generar calor. Equipos dependen de tipo combustible.

Sistema de Agua de Alimentación

Agua alimentación: agua suministrada a caldera convertida en vapor. Dos fuentes: condensado (vapor condensado retornado de proceso) y agua de reposición (agua tratada de planta tratamiento). Componentes principales:

• Calentador agua alimentación: Eficiencia mejorada extrayendo calor residual de vapor gastado para precalentar agua. Intercambiadores carcasa-tubo con agua en lado tubo y vapor en lado carcasa. Condensado retorna a tanque almacenamiento o pozo caliente.
• Desaireadores: Agua a menudo tiene oxígeno disuelto en niveles objetables (fugas aire en condensador, sellos bombas, del propio condensado). Oxígeno removido mecánicamente en desaireador. Principio: oxígeno menos soluble al aumentar temperatura. Hecho pasando vapor a través del agua.
• Economizadores: Última etapa del sistema agua alimentación. Diseñados para extraer valor calorífico de gases escape para calentar vapor y mejorar eficiencia. Intercambiadores tubo aletado simples. Reduce requerimientos combustible transfiriendo calor de gases chimenea a agua entrante.

Sistema de Vapor

Consiste en tambores vapor/barro, tubos caldera, sobrecalentadores, atemperadores, sistemas condensado.

• Tambores vapor y barro: Tambor vapor: superior en caldera tubos agua donde ocurre separación agua-vapor. Contiene elementos internos: entrada agua alimentación, inyección química, remoción purga, control nivel, separación vapor-agua. Agua entra desde economizador. Vapor sale por arriba a través de separadores. Salida normalmente desde este tambor a tambor inferior por tubos subida/bajada. Tambor inferior (tambor barro): tanque en fondo que ecualiza distribución agua a tubos generadores y recoge sólidos (sales de dureza y sílice).
• Tubos caldera: Acero al carbono alta resistencia. Soldados para formar pared continua. Usualmente más de un banco. Más susceptibles a fallo por problemas flujo o corrosión/depósitos.
• Sobrecalentador: Vapor al salir caldera es saturado (equilibrio con agua a presión/temperatura caldera). Propósito: eliminar toda humedad elevando temperatura por encima de punto saturación. Añade energía a vapor salida. Energía añadida eleva temperatura y contenido calorífico por encima de saturación. Vapor sobrecalentado tiene volumen específico mayor.
• Atemperadores: Controlan grado de sobrecalentamiento. Atemperación: desobrecalentamiento parcial por inyección controlada de agua en flujo vapor sobrecalentado. Usualmente agua alimentación caldera para atemperación.
• Sistemas condensado: Condensado de varios intercambiadores retornado a caldera como parte agua alimentación. Debe monitorearse pH e ingreso oxígeno y aplicar tratamiento adecuado.

Sistema de Combustible

Sistemas alimentación combustible juegan papel crítico en rendimiento caldera. Funciones: transferir combustible a caldera y distribuirlo para promover combustión uniforme y completa. Tipo combustible influye características operativas. Sistema alimentación combustible es componente más significativo. Combustibles preparados para combustión y transportados a caldera. Sistema combustión debe asegurar estabilidad llama en amplio rango caudales creando condiciones favorables para ignición y condiciones aerodinámicas para buena mezcla entre aire primario y combustible. Quemadores son elementos centrales para sistema combustión efectivo.

Eficiencia de Caldera de Vapor

En caldera ocurren pérdidas: combustión incompleta, radiación desde paredes, calor llevado por gases escape. Eficiencia indica estas pérdidas. Eficiencia = % calor total exportado por vapor salida / calor total suministrado por combustible.

Incluye eficiencia térmica, combustión y combustible-a-vapor. Depende de: tamaño, tipo, diseño caldera.

Clasificación de Calderas de Vapor

Según diseño y construcción:

Caldera Combustible Pulverizado (Pulverized Fuel Boiler)

Mayoría centrales carbón e industriales tubos agua usan carbón pulverizado. Tecnología madura, >90 % capacidad carbón. Carbón molido a polvo fino: <2 % +300 µm, 70-75 % <75 µm (carbón bituminoso). Carbón pulverizado soplado con parte aire combustión a caldera por boquillas quemador. Aire secundario/terciario también añadido. Combustión 1300-1700 °C según grado carbón. Tiempo residencia partícula 2-5 seg; deben ser lo bastante pequeñas para combustión completa. Ventajas: capacidad quemar carbón calidad variable, respuesta rápida a cambios carga, uso aire precalentado alta temperatura.

Caldera Combustión Lecho Fluidizado (FBC)

Sistema disparo basado en combustión lecho fluidizado (FBC). Ventajas significativas: diseño compacto, flexibilidad combustible, mayor eficiencia combustión, reducción emisiones contaminantes (SOx, NOx). Combustibles: carbón, rechazos lavadero, cáscara arroz, bagazo, residuos agrícolas.

Combustión ~840-950 °C. Temperatura muy por debajo fusión ceniza → evita fusión y problemas asociados. Temperatura menor lograda por alto coeficiente transferencia calor por mezcla rápida en lecho y extracción efectiva calor por tubos transferencia en lecho y paredes. Velocidad gas mantenida entre velocidad fluidización mínima y velocidad arrastre partículas. Asegura operación estable lecho y evita arrastre en corriente gas. Tres tipos:

• AFBC (Atmospheric FBC): Carbón triturado 1-10 mm según rango, tipo combustible. Aire atmosférico (fluidización y combustión) entregado a presión tras precalentado por gases escape. Tubos en lecho llevan agua → evaporador. Gases pasan sobre secciones sobrecalentador, economizador, colectores polvo, precalentador aire antes de escape.
• CFBC (Circulating FBC): Parámetros lecho mantenidos para promover elutriación (proceso donde partículas finas salen del lecho por caudal fluido). Partículas elevadas en fase diluida en riser sólidos; downcomer con ciclón provee retorno. No tubos generación inmersos en lecho. Generación y sobrecalentamiento en sección convección, paredes agua, salida riser. CFBC generalmente más económicos que AFBC para aplicaciones industriales >75-100 ton/h vapor.
• PFBC (Pressurized FBC): Compresor suministra aire forced draft y combustor es recipiente presión. Tasa liberación calor en lecho proporcional a presión → lecho profundo para extraer gran calor. Mejora eficiencia combustión y absorción SO₂ en lecho. Vapor generado en dos haces tubos: uno en lecho, uno arriba. Gases chimenea calientes impulsan turbina gas generación energía. Sistema PFBC para cogeneración (vapor y electricidad) o ciclo combinado. Ciclo combinado (turbina gas + vapor) mejora eficiencia conversión global 5-8 %.

Caldera Calor Residual (Waste Heat Boiler)

Donde calor residual disponible a temperaturas medias/altas, se instala caldera calor residual para producir vapor económicamente. Vapor puede expandirse en turbina-generador y producir energía. Ampliamente usada en recuperación calor gases escape.