Quemadores de Horno de Recalentamiento: Tipos, Eficiencia e Impacto Ambiental

Tipos de Quemadores en Hornos de Recalentamiento

Actualmente, la industria siderúrgica enfrenta grandes desafíos de reducción continua de emisiones ambientales mientras mejora la viabilidad económica de los procesos. Los hornos de recalentamiento, debido a su alto consumo energético, son un área donde se necesita la atención de la industria siderúrgica. Son equipos importantes que contribuyen a la productividad y eficiencia energética de la planta siderúrgica.

Los hornos de recalentamiento modernos son hornos de viga caminante donde las vigas elevan el material de carga de acero (blumones, bloques o planchones) dentro del horno y lo mueven a la siguiente posición. El calentamiento se realiza en estos hornos por disparo directo del combustible tanto desde arriba como desde abajo del material de carga de acero, usando quemadores de techo (para calentar el techo que luego irradia calor al material de carga) y/o quemadores de llama larga (paredes laterales y/o pared frontal). Los combustibles comunes utilizados en los hornos de recalentamiento son gas mixto de bajo poder calorífico (gas de alto horno mezclado con gas de coque y gas de convertidor), gas de coque, fuel oil pesado, fuel oil bajo en azufre (LSHS), o gas natural.

Parámetros Importantes

Los parámetros importantes para un horno de recalentamiento incluyen el sistema de combustión consistente en el combustible usado, suministro y condición tecnológica del aire de combustión, los quemadores y su ubicación para una correcta distribución de calor, precalentamiento de aire de combustión y gas combustible, sistema de recuperación de calor residual, relación aire-combustible, control de tiro del horno, sistema de escape del horno, y sistema de medición y control de parámetros del horno. El sistema de combustión del horno, además de soportar el nivel de productividad requerido del horno, asegura una utilización eficiente de la entrada de calor, menores pérdidas de calor, recuperación eficiente de calor residual, daño mínimo a los refractarios del horno, y menor generación de gases de efecto invernadero, especialmente NOx. El sistema de combustión del horno también asegura una atmósfera de horno que minimiza la formación de escoria en la superficie del acero.

Los sistemas de recuperación de calor se han utilizado ampliamente en plantas siderúrgicas para reducir las pérdidas de calor de gases de escape de hornos de recalentamiento. Dado que la pérdida de calor de gases de escape representa un alto porcentaje de pérdida térmica, la eficiencia del horno mejora y el consumo de combustible se reduce mediante el uso de sistema de recuperación de calor. Normalmente se emplean dos tipos de sistemas de recuperación de calor: sistema centralizado y sistema distribuido. El sistema centralizado de recuperación de calor precalienta el aire de combustión con un recuperador metálico por el calor de los gases de escape y está actualmente en uso generalizado. Sin embargo, la temperatura máxima de aire precalentado alcanzable por este método es de alrededor de 600 °C con una temperatura de horno de alrededor de 1300 °C debido a limitaciones de temperatura del material. El sistema distribuido de recuperación de calor consiste en un sistema de quemador regenerativo de tipo conmutado con el uso de bolas cerámicas (generalmente alúmina) como medio regenerativo. Proporciona temperaturas de aire precalentado más altas que el sistema centralizado.

Los quemadores utilizados en los hornos de recalentamiento constituyen uno de los aspectos importantes que decide la eficiencia energética del horno de recalentamiento. Diferentes especificaciones de acero requieren diferentes perfiles de temperatura en el horno de recalentamiento. Por tanto, para la correcta distribución de calor dentro del horno, es importante que los quemadores tengan flexibilidad para que el personal operativo pueda adaptar los parámetros de combustión a las diversas condiciones de proceso. Los quemadores necesitan tener una relación de reducción adecuada, capacidades de bajo NOx y alta eficiencia.

La disposición de los quemadores en un horno de recalentamiento también es muy importante para las características de calentamiento del horno. Según la posición de los quemadores en el horno, las disposiciones se clasifican en tres métodos de calentamiento: (i) Uso de quemadores de flujo axial en pared frontal, (ii) uso de quemadores laterales en paredes laterales, y (iii) Uso de quemadores radiantes de llama plana en el techo. Cada método de calentamiento tiene sus propias características. Se adopta un método de calentamiento particular o una combinación de métodos para un horno de recalentamiento para adaptarse a las condiciones locales en la planta siderúrgica. En plantas siderúrgicas donde hay múltiples combustibles disponibles, los quemadores deben tener capacidad de utilización de múltiples combustibles.

El horno de recalentamiento debe diseñarse para asegurar que dentro de un tiempo dado el material de carga de acero se caliente uniformemente a una temperatura deseada con la cantidad mínima de combustible. Dado que el calentamiento se realiza con el uso de quemadores, lo siguiente es necesario para asegurar una correcta distribución de calor.

• El disparo del horno de recalentamiento debe hacerse por quemadores ubicados en el extremo de descarga del horno y ubicados en la parte superior y/o inferior del material de carga de acero.
• La llama no debe tocar ni obstruirse por ningún objeto sólido. Cualquier obstrucción causa que las partículas de combustible se desatomizen, lo que afecta la combustión y causa humo negro. Si la llama impacta en el material de carga de acero, entonces las pérdidas de escoria aumentan. Si la llama impacta en refractarios, productos de combustión incompleta pueden depositarse y reaccionar con los constituyentes del refractario a altas temperaturas causando daño a los refractarios del horno.
• Las llamas de diferentes quemadores deben estar libres entre sí, ya que las llamas intersectadas causan combustión incompleta. También es deseable escalonar los quemadores en lados opuestos.
• La llama del quemador tiene tendencia a moverse libremente en el espacio de combustión justo encima del material. Por esta razón, el eje del quemador en el horno no debe colocarse paralelo al hogar sino en un ángulo ascendente. Sin embargo, la llama no debe golpear el techo del horno.
• Los quemadores grandes producen llamas más largas, que usualmente es difícil contener dentro de las paredes del horno. Por tanto, un gran número de quemadores de menor capacidad se emplean generalmente para asegurar una mejor distribución de calor dentro del horno y también para aumentar la vida del horno.

Quemador de Llama Plana

Los quemadores de llama plana (FFB) se usan usualmente en el techo del horno de recalentamiento. Debido a estos quemadores, la transferencia de calor radiativa indirecta tiene lugar. El calor de la combustión del combustible se transfiere al material de carga de acero no solo directamente desde la llama, sino también a través del revestimiento refractario del techo del horno. La llama, que normalmente no es luminosa, se caracteriza por alta temperatura y emisividad relativamente baja correspondiente a la radiación selectiva de dióxido de carbono y vapor de agua. Por la falta de impacto de llama en el material de carga de acero, los hornos calentados con FFB se conocen como hornos de calentamiento indirecto.

Los quemadores están diseñados para extender la llama sobre la superficie del techo en una capa delgada. Como la tasa de flujo de los gases de combustión en la dirección del eje del quemador es despreciable, la temperatura del techo refractario aumenta debido a la transferencia intensiva de calor de la llama al techo. De esta manera, el techo refractario actúa como la superficie radiante principal.

El uso de quemadores de llama plana se considera apropiado y ventajoso cuando el material de carga de acero en el horno de recalentamiento tiene una gran superficie plana, posiblemente paralela al techo del horno y cuando la temperatura de calentamiento del material de carga de acero es superior a 900 °C. A continuación se presentan las principales ventajas y desventajas de los hornos disparados con FFB.

• La distribución de temperatura en la cámara del horno FFB y en el material de carga de acero es más uniforme. Hay control satisfactorio de temperatura de zonas individuales permitiendo lograr la producción necesaria del horno.
• Las tasas de calentamiento más rápidas, debido a FFB, disminuyen el tiempo de exposición del material de carga de acero a alta temperatura. Por tanto, la ocurrencia de oxidación superficial o fenómenos como descarburación y estructura de acero de grano grueso se reducen enormemente.
• Una reducción importante en el consumo de combustible de hasta casi el 40 % puede lograrse siguiendo una disminución del 100 % al 50 % en la producción del horno.
• La mezcla intensiva de combustible gaseoso y aire de combustión asegura una combustión rápida y completa de la mezcla a bajo valor de exceso de aire.
• Una desventaja básica del calentamiento por techo es el riesgo de sobrecalentamiento de la superficie del material de carga de acero tras un cambio repentino en la producción del horno.
• Una tasa de calentamiento excesiva al comienzo de la cámara del horno puede inducir tensiones térmicas no deseadas y deformaciones estructurales en el material de carga de acero.

Quemadores de Llama Larga

Hay una gran variedad de quemadores de llama larga de diversas características y capacidades diferentes disponibles en el mercado. Estos quemadores están disponibles en varias capacidades y para adaptarse al uso de diferentes combustibles como aceite, gas o múltiples combustibles.

En el horno de recalentamiento con quemadores de llama larga, dado que la mayor parte del calentamiento del material de carga de acero tiene lugar por convección, la recirculación de productos de combustión contribuye sustancialmente a la velocidad de calentamiento y uniformidad de temperatura. Los quemadores de llama larga producen gases de alta velocidad que arrastran y recirculan los gases de combustión para lograr uniformidad de temperatura en el horno con mínimo exceso de aire.

Los quemadores en la pared frontal del horno de recalentamiento suelen ser de llama más larga, mientras que los de la pared lateral son de llama variable más corta. Los quemadores en la pared frontal son normalmente de tipo de combustión de flujo axial y necesitan un amplio rango de ajuste. Son quemadores de gran capacidad y tienen limitación de longitud por zona en la dirección de la longitud del horno. El flujo de gases de combustión dentro del horno es suave a lo largo de la longitud del horno. Las partes frontales de los quemadores complican la estructura del horno. Con estos quemadores hay uniformidad de calentamiento a lo largo del ancho del horno, pero la temperatura tiende a caer en las partes frontales en la dirección de la longitud del horno. La trabajabilidad es relativamente buena excepto alrededor de los quemadores en el área inferior donde la temperatura es relativamente alta.

Los quemadores en la pared lateral necesitan un rango estrecho de ajustes. Estos quemadores también son de gran capacidad y tienen limitación en la dirección del ancho del horno. El flujo de gases de combustión tiende a derivar ya que la dirección de los quemadores es en ángulo recto con la dirección de la longitud del horno. Como no hay parte frontal en estos quemadores, no complican la estructura del horno. Los quemadores tienen buena uniformidad en la dirección de la longitud del horno pero mala uniformidad en la dirección del ancho del horno. La trabajabilidad es relativamente buena con estos quemadores.

Quemadores Regenerativos y Recuperativos

Un quemador regenerativo es un sistema de recuperación de calor que recupera el calor residual del gas de escape del horno para calentar el aire de combustión necesario para la quema del combustible en el quemador. El uso de quemadores regenerativos para hornos de recalentamiento puede proporcionar ahorros significativos de energía.

Los quemadores regenerativos están diseñados para recuperar el calor al aire de entrada transfiriendo el calor del gas de escape al aire de entrada que se usará en la combustión. El quemador regenerativo tiene dos conjuntos de quemadores, cada uno con un regenerador y la válvula de inversión. El regenerador usa bolas cerámicas (generalmente alúmina) para recoger el calor. Mientras el primer quemador regenerativo está disparando, el otro está extrayendo los gases del horno. El gas de escape pasa a través del cuerpo del quemador regenerativo y transfiere el calor a las bolas cerámicas. Por tanto, el calor del gas de escape se transfiere al aire de entrada ya que este pasa a través de las bolas cerámicas calentadas. La válvula de inversión establece la dirección del flujo de aire que entra en la cabeza del quemador, lo que hace que la temperatura del aire de entrada sea similar a la temperatura de operación. Debido a una alta temperatura de aire de combustión precalentado, el quemador regenerativo puede ahorrar combustible y hacer la combustión con alta eficiencia.

En el caso de un quemador recuperativo, la estructura del quemador es similar al tubo de intercambiador de calor por radiación que calienta el aire de entrada hasta una temperatura más alta (aproximadamente 750 °C) recuperando el calor del gas de escape al aire de entrada. Por tanto, el calor intercambiado en el quemador puede mejorar la eficiencia de combustión y ahorrar el costo de combustible aproximadamente del 25 % al 30 %.

El principio del quemador regenerativo se muestra en la Fig. 1. El primer quemador está en modo de disparo mientras el segundo quemador está en modo de escape. El primer quemador está disparando con el aire de combustión caliente soplando a través de su quemador. El segundo quemador está recibiendo el gas de escape caliente desde el horno a sus bolas cerámicas para mantener el calor en el quemador. Solo después de pasar su calor, el gas de escape se libera. Después de un período de medio minuto a un minuto, el segundo quemador se cambia a modo de disparo mientras el primer quemador comienza a recibir el gas de escape caliente. Los modos de disparo y recepción del quemador operan alternativamente y continuamente hasta que el horno de recalentamiento se detiene. La alta temperatura de aire precalentado hace que el proceso de combustión sea muy eficiente.

El principio del quemador recuperativo también se muestra en la Fig. 1. La temperatura del aire de entrada se precalienta antes de la combustión en el horno por la técnica de intercambio de calor. El gas de escape fluye a través del quemador equipado con un intercambiador de calor instalado dentro del quemador. El calor del gas de escape se intercambia al aire de entrada antes de que fluya fuera del quemador. El gas de escape recorre el área alrededor del exterior del quemador y el calor se intercambia dentro del quemador.

Fig. 1 Principios de sistemas de quemadores regenerativos y recuperativos

Quemadores Oxi-Combustible

Oxi-combustible se refiere a la práctica de reemplazar totalmente el aire como fuente de oxidante para la combustión con oxígeno de grado industrial. La combustión oxi-combustible reduce o elimina el nitrógeno en el aire de combustión y reduce sustancialmente el calor residual evacuado con el gas de escape. Los quemadores oxi-combustible pueden usarse en hornos de recalentamiento de alta temperatura donde la uniformidad de temperatura es crítica y se desean emisiones de NOx extremadamente bajas.

La ventaja general de reemplazar el aire con oxígeno de grado industrial es que el contenido de nitrógeno presente en el aire llevado al proceso de combustión 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 los gases de escape.

Los beneficios de usar oxi-combustible comparado con la combustión aire-combustible son: (i) consumo de energía reducido, (ii) mayor tasa de calentamiento resultando en mayor producción sin aumento en el punto de ajuste de temperatura del horno, y (iii) emisiones de horno reducidas.

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.

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.