Mejora de la Eficiencia en Recalentamiento de Acero con Combustión Oxi-Combustible y Quemadores Regenerativos

Combustión Oxi-Combustible y su Aplicación en Horno de Recalentamiento

El recalentamiento de acero es un proceso intensivo en energía que requiere una distribución uniforme de temperatura dentro de los hornos de recalentamiento. Históricamente, se han utilizado recuperadores para precalentar el aire de combustión, conservando así energía. Innovaciones más recientes incluyen el enriquecimiento con oxígeno (O₂) y el uso de quemadores regenerativos, que proporcionan temperaturas de precalentamiento de aire más altas que los recuperadores. Estos procesos tienen limitaciones como el deterioro del equipo, la disminución de la eficiencia energética con el tiempo, altos costos de mantenimiento y aumento de emisiones de NOx con el aumento de la temperatura de precalentamiento del aire, a menos que se use equipo especial.

Tres cosas son necesarias para el inicio y sostenimiento de la combustión: combustible, oxígeno y energía suficiente para la ignición. La eficiencia del proceso de combustión es máxima si el combustible y el oxígeno pueden encontrarse y reaccionar sin restricciones. Pero durante la práctica de calentamiento, además de una combustión eficiente, la transferencia de calor también es una consideración práctica.

El aire normal utilizado para la combustión contiene nitrógeno (N₂) y argón (Ar) además de oxígeno. En un quemador aire-combustible, la llama del quemador contiene nitrógeno del aire de combustión. Una cantidad significativa de la energía del combustible se utiliza para calentar este nitrógeno. El nitrógeno caliente sale por la chimenea, creando pérdidas de energía. Por tanto, el aire no proporciona condiciones óptimas para la combustión ni para la transferencia de calor. El calor absorbido por el nitrógeno se desperdicia o debe recuperarse para la conservación de energía. El mejor sistema actual de calentamiento aire-combustible en horno de recalentamiento necesita al menos 310 Mcal por tonelada de acero para lograr la temperatura correcta del producto de acero para laminación.

Desarrollo Histórico

Históricamente, el uso principal de la combustión oxi-combustible ha sido en soldadura y corte de metales, especialmente acero, ya que la oxi-combustión permite temperaturas de llama más altas que las que se pueden lograr con una llama aire-combustible. La introducción de una innovadora tecnología de quemador oxi-combustible (usando 100 % oxígeno) para el recalentamiento de acero es un fenómeno relativamente muy reciente. El concepto de combustión oxi-combustible fue propuesto en 1982 por Abraham en el contexto de proporcionar un gas de escape rico en dióxido de carbono (CO₂). Debido a los beneficios potenciales, el Laboratorio Nacional Argonne (ANL) realizó algunas actividades de investigación, incluyendo un estudio tecnoeconómico y estudios a escala piloto sobre el tema.

Oxi-combustible se refiere a la práctica de reemplazar totalmente el aire como fuente de oxidante para la combustión con oxígeno de grado industrial. El oxígeno de grado industrial se define como suministro de oxígeno líquido vaporizado a gas u oxígeno generado in situ. El suministro de oxígeno líquido generalmente tiene una pureza superior al 99,99 %, mientras que la pureza del oxígeno generado in situ suele estar en el rango del 90 % al 93 %. La ventaja de usar oxígeno generado in situ es el menor costo, ya que el producto no necesita licuarse ni transportarse y se entrega a menor presión para minimizar el consumo de energía. En una planta siderúrgica integrada donde existe una planta de separación de aire para la fabricación de acero, se puede suministrar oxígeno de alta pureza (99,99 %) por tubería desde la planta de separación de aire.

Cuando se evita el gas nitrógeno con el uso de oxígeno de grado industrial como en el caso de la combustión oxi-combustible, no solo la combustión en sí es más eficiente sino también la transferencia de calor. La combustión oxi-combustible influye en el proceso de combustión de varias maneras. El primer resultado obvio es el aumento de la eficiencia térmica debido al volumen reducido de gas de escape, un resultado fundamental y válido para todos los tipos de quemadores oxi-combustible. Además, la concentración de los productos de combustión altamente radiantes, CO₂ y H₂O, aumenta en la atmósfera del horno. Para operaciones de calentamiento, estos dos factores conducen a una mayor tasa de calentamiento, ahorro de combustible, menores emisiones de CO₂ y NOx y menores emisiones de SOx si el combustible contiene azufre. La Fig. 1 muestra los procesos de combustión oxi-combustible y aire-combustible.

Fig. 1 Procesos de combustión oxi-combustible y aire-combustible

La combustión oxi-combustible difiere de la combustión con aire en muchos aspectos, incluyendo temperatura de llama reducida e ignición de llama retardada. Muchos de los efectos de la combustión oxi-combustible pueden explicarse por diferencias en las propiedades de los gases entre CO₂ y N₂, los principales gases diluyentes en oxi-combustible y aire respectivamente. El CO₂ tiene propiedades diferentes del N₂ que influyen tanto en la transferencia de calor como en la cinética de reacción de combustión. Estas diferencias se describen a continuación.

• Densidad: El peso molecular del CO₂ es 44, comparado con 28 para el N₂, por lo que la densidad del gas de escape es mayor en la combustión oxi-combustible.
• Capacidad calorífica: La capacidad calorífica del CO₂ es mayor que la del N₂.
• Difusividad: La tasa de difusión de oxígeno en CO₂ es 0,8 veces la del N₂.
• Propiedades radiativas de los gases del horno: La combustión oxi-combustible tiene niveles más altos de CO₂ y H₂O, ambos con alto poder emisivo.

Comparado con aire-combustible, la oxi-combustión resulta en un calentamiento del producto de acero mucho más eficiente y rápido. La eficiencia térmica de la oxi-combustión es de aproximadamente el 80 % en comparación con la eficiencia del aire-combustible que es del 40 % al 60 %. Con oxi-combustible hay mejora en la productividad y disminución en el consumo de combustible para calentar el producto de acero a la temperatura deseada. El uso de oxi-combustible también mejora la uniformidad de temperatura y produce menos emisiones al medio ambiente.

La ventaja general de reemplazar el aire con oxígeno de grado industrial es que el contenido de nitrógeno llevado al proceso de combustión con el aire se elimina casi o completamente. La reducción de nitrógeno en la combustión permite temperaturas de llama más altas y eficiencia de combustión, ya que el menor volumen de gas de combustión reduce la cantidad de calor tomada de la llama y perdida en el escape. Durante la combustión oxi-combustible, se genera un gas que consiste principalmente en CO₂ y agua.

La transferencia térmica por combustión oxi-combustible se caracteriza por una transferencia localizada considerable debido a la alta emisividad (concentraciones considerables de CO₂ y H₂O en las llamas) y volumen de llama reducido, lo que conduce primero a una capacidad mejorada para transferir su energía a la carga y segundo a una ganancia extra en eficiencia energética.

Para operaciones de calentamiento continuo también es posible operar económicamente el horno de recalentamiento a una temperatura más alta en el lado de entrada del horno. Esto aumenta aún más el rendimiento posible del horno de recalentamiento. Se ha observado que la eficiencia energética de la combustión oxi-combustible es equivalente o incluso mejor que la de los hornos de recalentamiento que tienen equipos para aire de combustión altamente precalentado. Así, los beneficios de usar oxi-combustible comparado con la combustión aire-combustible son los siguientes.

• La oxi-combustión resulta en aumentos sustanciales en el calor disponible (energía total de entrada menos energía perdida en el escape) comparado con la combustión aire-combustible. El aumento en calor disponible está directamente relacionado con reducciones en el consumo de energía.
• Un aumento en el calor disponible de combustión significa que menos calor se pierde en el escape y un mayor porcentaje de la energía total de entrada queda para hacer trabajo en el horno. Así, cuando el calor disponible aumenta, la cantidad de energía total de entrada requerida para hacer una cantidad constante de trabajo disminuye.
• El aumento de la tasa de calentamiento resulta en mayor producción. El límite práctico para el aumento de producción depende de la capacidad de la carga para absorber calor y el tiempo y temperatura a la que la carga está expuesta al calor. Las experiencias de diversas instalaciones oxi-combustible indican que el rendimiento del producto puede aumentarse en la mayoría de operaciones sin aumentar el punto de ajuste de temperatura del horno, con la excepción de aquellos hornos de recalentamiento que ya cumplen un límite de rampa de temperatura establecido. Además del aumento en calor disponible, la mayor temperatura de llama oxi-combustible y el potencial de radiación de los gases de combustión tienen un impacto positivo en la capacidad de calentamiento y tasa de producción.
• Dado que la transferencia de calor por radiación depende de la diferencia de temperatura desde la fuente al receptor a la cuarta potencia, la combustión oxi-combustible resulta en un gran aumento en el potencial de radiación llama-carga. Los productos de combustión de la oxi-combustión también son mejores fuentes de transferencia de calor radiante. Esto es porque la mayor parte del producto de combustión aire-combustible es nitrógeno, que no es un mecanismo de transferencia de calor radiante tan eficiente como el dióxido de carbono y el vapor de agua que componen la mayoría de los productos de combustión oxi-combustible.
• Emisiones de horno reducidas: El volumen de escape es sustancialmente menor con oxi-combustible. El volumen total de escape con oxi-combustible es generalmente del 70 % al 90 % menos que el volumen total de escape aire-combustible. El resultado más obvio de usar oxi-combustible es que el consumo de combustible se reduce. Con la reducción en el consumo de combustible, la emisión de CO₂ es menor en un tiempo dado o por unidad de carga calentada. Con la combustión oxi-combustible, la presión parcial de nitrógeno en los productos de combustión se reduce drásticamente, disminuyendo el potencial de formación de NOx incluso a temperaturas de llama elevadas.
• La concentración de contaminantes en el gas de escape es mayor, facilitando su separación.
• El gas de escape es principalmente CO₂, adecuado para secuestro.

Además de los beneficios mencionados, la opción de usar combustión oxi-combustible a veces puede resultar en menor inversión de capital comparada con otros métodos de mejora de eficiencia como recuperadores o equipos de control de emisiones. La combustión oxi-combustible permite que todas las tuberías de instalación y trenes de flujo sean compactos sin necesidad de unidades de recuperación de calor recuperativas o regenerativas. También reduce drásticamente el tamaño físico de quemadores, hornos y conductos de gas de escape, así como no hay necesidad de ventiladores eléctricos. También se evitan sopladores de aire de combustión y problemas de ruido de baja frecuencia relacionados. Además, en algunos casos la conversión a combustión oxi-combustible ha resultado en menor pérdida de escoria debido a mejor control y menor tiempo de calentamiento.

Las llamas oxi-combustible tienen una temperatura más alta con menos volumen y longitud que las llamas aire-combustible. La característica de llama con oxi-combustible debe considerarse al diseñar sistemas de quemadores oxi-combustible para aplicaciones de recalentamiento de acero. Generalmente, el calentamiento de acero exige distribución uniforme de temperatura para evitar sobrecalentamiento o subcalentamiento localizado en el producto. El tipo y colocación de quemadores oxi-combustible depende del tipo de horno y la proximidad de las llamas al producto de acero.

Si bien proporciona beneficios sustanciales a la eficiencia, el bajo volumen de productos de combustión con oxi-combustible requiere atención especial al diseñar sistemas de control de combustión. El control adecuado de la relación de combustión es crítico para procesos de calentamiento de acero, ya que los productos de combustión componen la atmósfera de calentamiento y finalmente impactan la tasa y tipo de formación de escoria. En sistemas de combustión aire-combustible, el alto volumen de nitrógeno llevado al proceso de combustión con el aire proporciona un amortiguador o factor de seguridad contra cambios en la relación aire-combustible. Con oxi-combustible, este amortiguador se elimina casi completamente. Esto significa que un cambio porcentual en la relación oxígeno-combustible con oxi-combustible tendrá un impacto mayor en la atmósfera del horno de calentamiento que el mismo cambio con aire-combustible.

El cambio en la atmósfera del horno con oxi-combustible no tiene efecto perjudicial en la formación de escoria y en algunos casos ha demostrado ser un beneficio. La mayor presión parcial de CO₂ y H₂O en los productos de combustión proporciona un mecanismo de transferencia de calor más eficiente, permitiendo una mayor tasa de calentamiento que reduce el factor tiempo para la formación de escoria. Además, la comparación de aire-combustible y oxi-combustible muestra que las características de formación de escoria cambian con oxi-combustible. La escoria formada en la superficie del acero está en una capa más fina que la formada con disparo aire-combustible. La razón del cambio en la característica de escoria se cree que es porque la atmósfera oxi-combustible produce rápidamente una capa de óxido fina y densa que previene una mayor oxidación y formación de escoria.

Combustión Oxi-Combustible sin Llama

En años recientes se ha empleado la «combustión oxi-combustible sin llama». La expresión comunica el aspecto visual del tipo de combustión, es decir, la llama ya no se ve visualmente o no se detecta fácilmente por el ojo humano. Otra descripción podría ser que la combustión se «extiende» en tiempo y espacio: se dispersa en grandes volúmenes, y por eso a veces se refiere como «combustión volumétrica». Tal llama tiene una temperatura uniforme y más baja, pero contiene la misma cantidad de energía.

En la combustión oxi-combustible sin llama, la llama se diluye con los gases calientes del horno. Esto reduce la temperatura de la llama para evitar la creación de NOx térmico y lograr un calentamiento más homogéneo del acero.

En la oxi-combustible sin llama, la mezcla de combustible y oxidante reacciona uniformemente a través del volumen de llama, con la tasa controlada por las presiones parciales de reactantes y su temperatura. Los quemadores oxi-combustible sin llama dispersan efectivamente los gases de combustión por todo el horno, asegurando un calentamiento más efectivo y uniforme del material incluso con un número limitado de quemadores instalados: la llama dispersa aún contiene la misma cantidad de energía pero se extiende sobre un volumen mayor. La temperatura de llama más baja reduce sustancialmente la formación de NOx. La baja emisión de NOx también es importante desde una perspectiva de calentamiento global; el NO₂ tiene un potencial de calentamiento global casi 300 veces mayor que el CO₂. Además, el uso de combustibles de bajo poder calorífico es factible, lo que se ha enfatizado últimamente, por ejemplo, usando gas de tope de alto horno.

Los quemadores oxi-combustible siempre han sido potentes y compactos, y la nueva generación de quemadores oxi-combustible sin llama ha mantenido su diseño compacto para facilitar el intercambio de quemadores oxi-combustible ya instalados y para fácil adaptación de instalaciones aire-combustible. Además, la combustión oxi-combustible sin llama no solo añade más ventajas, sino que abre nuevas aplicaciones, todas apoyando un impacto ambiental sustancialmente menor.

En las plantas siderúrgicas donde la tecnología de combustión oxi-combustible ya se ha implementado, se están obteniendo los siguientes resultados.

• Mejora en la capacidad de rendimiento del horno de recalentamiento hasta un 50 %
• Ahorro en consumo de combustible hasta un 50 %
• Disminución en emisiones de CO₂ hasta un 50 %
• Menor cantidad de emisiones de NOx
• Reducción en la pérdida de escoria durante el recalentamiento
• No hay impacto negativo en la calidad superficial del acero
• Hay un impacto positivo en la uniformidad de temperatura del acero
• Es posible lograr la curva de calentamiento ideal sugerida por el sistema de control más fácilmente
• Hay menos humo emanando de la chimenea del horno, lo que mejora enormemente el entorno de la planta.