Tecnologías y conceptos de quemadores: Cumpliendo con las emisiones

1 de septiembre de 2022 | Por Jonathan Stoeger

Para cumplir con los audaces objetivos de sustentabilidad, se están desarrollando nuevas tecnologías de quemadores y configuraciones de control para ayudar a reducir significativamente las emisiones de NOx.

Muchas empresas líderes en la industria han establecido objetivos de sostenibilidad audaces para la reducción de emisiones y la eficiencia energética impulsadas por factores como el cambio climático, el Acuerdo de París y varias regulaciones nacionales, estatales y locales.

En los EE. UU., California siempre ha liderado el camino en la reducción de emisiones. Fue el primer estado en exigir un estándar de emisiones de 30 partes por millón (ppm) para óxidos de nitrógeno (NOx), que posteriormente disminuyó a 15 ppm de NOx y luego a solo 9 ppm de NOx. Ahora, algunos condados de California están imponiendo un requisito de 2 ppm de NOx en las calderas de tubos de agua industriales (IWT) más grandes. Otros estados seguirán el ejemplo con requisitos de emisiones de NOx de 30 ppm o incluso menores.

La industria de las calderas continúa introduciendo tecnologías y soluciones avanzadas que reducen las emisiones de NOx y CO (Figura 1). En la actualidad, existen varias tecnologías de combustión y estilos de encendido, según la aplicación, el combustible y el tamaño del encendido, que están disponibles para combustibles tradicionales y renovables. Estas ofertas más nuevas, junto con los sistemas de control avanzados, garantizan una alta reducción, una relación constante de combustible a aire y repetibilidad en la combustión.

FIGURA 1. Próximos requisitos de reducción de emisiones de NOx y CO, y las tecnologías de quemadores están evolucionando para ayudar a lograr estos objetivos

Turndown es un concepto que es importante entender. Con respecto a los sistemas de calderas, es una relación que identifica las configuraciones de fuego alto y fuego bajo de un sistema. Por ejemplo, un quemador de 100 millones de Btu/h con una reducción de 10:1 alcanzará el fuego alto a 100 millones de Btu/h y el fuego bajo a 10 millones de Btu/h. El principal beneficio de la alta regulación para un sistema de caldera es la reducción de ciclos, lo que reduce el consumo de energía y el estrés térmico de una caldera.

Al reducir los ciclos, se necesita menos combustible y se escapan menos emisiones a la atmósfera. La reducción depende en gran medida del diseño del quemador. Muchos sistemas de quemadores de alto rendimiento requieren un sistema de control avanzado; por lo general, estos involucran posicionamiento en paralelo o sistemas totalmente medidos.

El tipo de NOx que más se reduce con la tecnología de quemadores es el NOx térmico. Esto se puede lograr bajando la temperatura de la llama o eliminando los NOx instantáneos, algunos de los cuales se pueden reducir optimizando la mezcla de combustible y aire en el quemador. Existen diferentes tipos de tecnologías de quemadores y sistemas de combustión que se pueden implementar hoy en día, y cada uno tiene sus propias características para reducir el NOx y aumentar la eficiencia. Estos métodos incluyen lo siguiente:

La etapa de combustible inyecta una porción del combustible principal para mezclarlo con los gases de combustión en el horno antes de la ignición (Figura 2). Así, diluye el combustible con gases, principalmente N2 y H2O. Colocar el combustible en etapas de esta manera hace que se encienda con la llama principal, y el volumen disminuye la cantidad de transferencia de calor radiante del horno. Esta transferencia de calor radiante ayuda a enfriar la llama. La combustión de estos dos efectos reduce la temperatura de la llama, disminuyendo así la formación de NOx.

FIGURA 2. La etapa de combustible con inductores de gases de combustión implica inyectar una porción del combustible principal en el horno antes del encendido, lo que sirve para diluir el combustible con gases, lo que reduce efectivamente la temperatura de la llama e inhibe la producción de NOx.

Detrás del proceso, algunos de los inyectores de gas en el lado exterior de la cabeza de combustión (o parte perforada de la cabeza) tienen una única rejilla grande, denominada inyectores por etapas. Estos inyectores dirigen los chorros de combustible hacia el exterior de la combustión de la llama principal.

Los orificios de inyección más grandes producen chorros más grandes que viajan más adentro del propio horno. Mezclar más lentamente antes de encender la llama principal produce una envoltura de llama más grande que ayuda a aumentar la transferencia de calor radiante. Más transferencia de calor desde la caldera al horno y hacia la llama misma produce más calor y aumenta las emisiones de NOx.

La distribución del combustible por sí sola puede reducir el NOx en aproximadamente un 20-25 %. Por ejemplo, para un tipo de quemador no controlado estándar de NOx de 100 ppm con etapas de combustible en su lugar, las emisiones de NOx se pueden reducir a 75–80 ppm.

La recirculación inducida de gases de combustión (FGR) es uno de los métodos más comunes y eficientes para reducir el NOx térmico (Figura 3). El proceso toma gases de combustión inertes y fríos y los mezcla con aire de combustión para aumentar el flujo másico a través del frente de llama, reduciendo así la temperatura y la formación térmica de NOx.

FIGURA 3. Se muestra una caldera pirotubular típica con recirculación de gases de combustión (FGR), donde la corriente de gas caliente recirculado se desvía antes de llegar al economizador

La figura 3 demuestra cómo se extraen los gases de combustión antes de que lleguen al economizador. En un tubo de fuego pequeño con temperaturas más altas, los gases de combustión recirculados se extraerán y se mezclarán con el aire. Desde allí, con el ventilador, se introducirá y se mezclará con el combustible en el proceso de combustión. Esto minimizará la temperatura de la llama para reducir el NOx térmico y disminuir las emisiones del quemador.

Esta técnica se utiliza en muchos motores de combustión en la actualidad. Puede llamarse recirculación de gases de escape (EGR). Básicamente, es una solución simple. Al agregar un poco de agua, el sistema se enfría. Se puede comparar con poner gases de combustión en el sistema para ayudar a enfriar la llama y mantener bajas las emisiones de NOx.

Para calderas de mayor capacidad, como las IWT, el FGR normalmente se retirará después del economizador. En calderas más grandes, se prefiere tener temperaturas ligeramente más frías para FGR.

El NOx se puede reducir en un 90% cuando se utiliza con otras tecnologías de quemadores. Con tecnología interna, se pueden lograr niveles de NOx de 9 a 10 ppm al combinar varias tecnologías. Hoy en día, incluso se pueden alcanzar 5 ppm de NOx en determinadas circunstancias.

El método de alto exceso de aire aumenta el caudal másico del exceso de aire para enfriar la llama, similar a la solución FGR. Para que sea efectivo, es necesario controlar la posición del frente de llama. Además, es muy importante en este método que la mezcla de combustible y aire se mezcle previamente antes del encendido del quemador. De lo contrario, la llama se moverá hacia arriba y fluirá hacia una condición rica en combustible. Una vez que eso suceda, el quemador se desplazará y la temperatura de la llama comenzará a subir nuevamente, contrarrestando los beneficios del premezclado.

Debido a que la mezcla de combustible y aire debe premezclarse y se requiere el control de la posición de la llama, solo se puede usar una estrategia de alto exceso de aire con ciertos tipos de quemadores.

Utilizando este tipo de tecnología, el NOx puede reducirse a 7,5–9 ppm. Un beneficio importante del alto exceso de aire es lograr bajas emisiones sin utilizar FGR.

La última de las tecnologías de combustión es la combustión en dos pasos, de la que hay dos tipos: inyección de combustible en dos pasos e inyección de aire en dos pasos. Los procesos son algo similares, con la principal diferencia de que la inyección de combustible de dos pasos utiliza una combustión de premezcla pobre en el primer paso, y en la inyección de aire de dos pasos, el primer paso implica una combustión muy rica en combustible.

El primer paso en el método de inyección de combustible consiste en un alto exceso de aire y transferencia de calor (Figura 4). Todo el aire de combustión pasa por el quemador, mientras que solo pasa una parte del combustible, lo que da como resultado una combustión muy pobre.

FIGURA 4. El primer paso en el método de inyección de combustible involucra un alto exceso de aire y transferencia de calor

En el segundo paso del proceso de combustión, se inyectan combustibles adicionales en los productos de combustión. Para que esto sea efectivo, se debe eliminar cierta cantidad de calor antes del primer paso y antes de someter el segundo paso al combustible. El calor generalmente se puede eliminar mediante un intercambiador de calor radiante a las paredes del horno.

Durante el primer paso, la combustión reducida a temperatura de llama entre el intercambiador de calor es insuficiente. Se puede agregar FGR a la combustión del primer paso para reducir la temperatura de la llama. El combustible inyectado en el segundo paso se puede escalonar para mezclarlo con los gases del horno y la estación de combustible del segundo paso de inyección de combustible, lo cual es común para este sistema.

La típica caldera compacta que utiliza un sistema de inyección de combustible de dos pasos alcanza alrededor de 30 ppm de NOx sin FGR. Si se agrega FGR al proceso de inyección de dos etapas, el NOx se puede reducir a 9–10 ppm.

La aplicación del método de inyección de aire en dos pasos a hornos muy grandes, como las calderas montadas en campo, requiere dos sistemas de combustión debido al gran volumen requerido.

En el método de inyección de aire (Figura 5), ​​el primer paso es una combustión muy rica, o lo que se denomina combustión subestequiométrica. En este tipo de combustión, sólo habrá una combustión parcial en el primer paso.

FIGURA 5. El método de inyección de aire comienza con una combustión subestequiométrica

En el segundo paso se introduce el resto del aire comburente, y normalmente la transferencia de calor entre los dos pasos de inyección no es suficiente para reducir la temperatura. Por lo tanto, FGR debe introducirse en el segundo paso de inyección junto con aire.

El segundo paso de combustión es responsable de la mayor parte de la producción térmica de NOx, por lo que es importante controlar la temperatura de la llama. En el campo, esto a menudo se denomina aire sobrefuego en calderas montadas en el campo. Al utilizar el método de inyección de aire de dos pasos, el NOx se puede reducir a 30 ppm. Con el aceite Número 6 (un aceite residual con alto contenido de Btu), el NOx se puede reducir a 140 ppm, cuando normalmente sería alrededor de 375 ppm.

Para utilizar estas tecnologías o procesos de combustión, se requieren controles avanzados, como sistemas de posicionamiento en paralelo o sistemas totalmente medidos. Las opciones adicionales incluyen unidades de velocidad variable (VSD) y sistemas de ajuste de flujo de aire de ajuste de O 2 (descritos en la próxima sección). Estos sistemas proporcionan un control preciso, que es necesario para controlar la relación aire-combustible y lograr una buena combinación con las tecnologías de encendido.

Posicionamiento en paralelo. Básicamente, el posicionamiento paralelo es un sistema de control que optimiza la relación aire-combustible del quemador. Hay muchos beneficios de utilizar un sistema de posicionamiento paralelo en lugar de una posición estándar de un solo punto.

El posicionamiento paralelo proporciona un control preciso de la relación aire-combustible porque hay un actuador acoplado directamente a la válvula de control, ya sea el amortiguador de aire, la válvula dosificadora de gas o la válvula FGR para garantizar la repetibilidad. En todos los puntos del proceso de combustión, siempre se va a repetir.

El posicionamiento paralelo utiliza servos dedicados que son actuadores de alta resolución, y cada uno de los combustibles o aire tiene su propio servo dedicado. El amortiguador de aire tiene su propio servo dedicado. La válvula de control de gas tiene su propio servo dedicado, y si FGR está presente, hay un servo en la válvula FGR que controlará la cantidad de recirculación. Cada actuador también está equipado con una señal de retroalimentación para mejorar la seguridad. Si un actuador no alcanza su posición, emitirá una señal de alarma y se apagará.

Cada uno de estos puede tener su propia curva separada que se aplicará. La curva aire-combustible para posicionamiento paralelo es una función de software. Por eso, es posible modificar una curva o incluso tener múltiples curvas para que los combustibles cumplan con los requisitos de las diversas tecnologías de quemadores. Además, debido a que es una función de software, existe la capacidad de agregar una unidad de frecuencia variable (VFD), derivación de VFD y sistemas de ajuste de O2.

Dado que se utilizan actuadores de alta resolución, existe una buena combustión durante todo el proceso de modulación del quemador. Y, un gran beneficio es que hay menos pérdida por histéresis. Debido a esto, espere un ahorro de combustible de alrededor del 2 al 3%. Este ahorro de combustible significa que se quema menos combustible, lo que se traduce en menos emisiones a la atmósfera.

Al utilizar un control avanzado con una tecnología de combustión de combustión más nueva, las emisiones de NOx se pueden reducir a 9 ppm o, en algunos casos, hasta 5 ppm.

Sistemas totalmente medidos. Un sistema totalmente medido es el método preferido que se usa para acomodar la presión del aire y el combustible o los cambios de temperatura en un sistema de control de la tasa de encendido. Graduarse de un sistema de posicionamiento paralelo es pasar a un sistema totalmente medido con capacidades de limitación cruzada (Figura 6).

FIGURA 6. Este sistema de control totalmente medido incluye capacidades de limitación cruzada y actuadores de dispositivos individuales

Similar a un sistema de posicionamiento paralelo, un sistema totalmente medido utiliza actuadores de dispositivos individuales. La principal diferencia operativa es que un sistema de posicionamiento paralelo usa la posición de los dispositivos de control de aire y combustible como indicaciones del flujo adecuado, y un sistema totalmente medido usa sensores de flujo para monitorear el flujo real de aire y combustible gaseoso. Además, mientras está monitoreando, un sistema totalmente medido ajustará los dispositivos de control según sea necesario para lograr el flujo deseado.

Se utiliza un sistema totalmente medido para crear los puntos de ajuste de aire y combustible contra los cuales se preparan los flujos respectivos para crear las señales de aire de posición de control de flujo. Se recomienda encarecidamente utilizar un sistema de compensación de O2 con este tipo de sistema.

Un sistema totalmente medido con un control de disparo de límite cruzado tiene la mayor eficiencia y el mejor control de emisiones de todos los sistemas en uso hoy en día, porque viene con medidores de aire y combustible que permiten la indicación y totalización del flujo.

Además, un sistema completamente medido tiene el potencial de compensación de presión y temperatura. También es compatible con aplicaciones de múltiples quemadores y combustibles alternativos. Puede realizar disparos simultáneos con diferentes tipos de combustibles de forma segura, eficiente y fiable. Tanto las regulaciones federales como las locales a menudo requieren totalizadores de combustible, y este sistema de medición de combustible los incluye.

Ajuste de O2. El ajuste de O2 es una opción que mantiene el exceso de aire en un nivel deseado en un sistema de combustión. Compensa las pequeñas variaciones en la relación aire-combustible provocadas por las condiciones de funcionamiento. Las variaciones incluyen cambios de presión atmosférica, cambios de temperatura o simplemente desgaste mecánico del quemador y los componentes mismos.

Recuerde, una cosa acerca de la combustión del quemador es que cualquier cosa que pueda afectar el flujo de aire o combustible afectará el rendimiento del quemador, lo que afectará negativamente las emisiones.

La opción de ajuste de O2 requiere un sensor de O2 que se instala en la salida de gases de combustión, arriba en la chimenea de la caldera. Da una señal de retroalimentación al sistema de control de combustión.

El sistema mantiene la combustión de O2 óptima para lograr los objetivos de NOx con una combustión buena y completa. Esto es tanto un factor de rendimiento como un factor de seguridad. Tener un ajuste de O2 evita que la combustión se vuelva demasiado rica o caiga por debajo del 1% de O2. En algunos quemadores, es fundamental no exceder el 8–9 % de O2 durante la combustión.

El ajuste de O2 también es una forma muy efectiva de identificar un problema potencial. Si los niveles de O2 comienzan a aumentar, los sistemas de ajuste de O2 lo revelarán.

Los beneficios adicionales del ajuste de O2 son la eficiencia y la confiabilidad. Básicamente, el control garantiza la consistencia del O2 de los gases de combustión, una mejor combustión y correcciones de aire-combustible junto con los cambios de temperatura del aire, todo lo cual da como resultado un ahorro de combustible de alrededor del 2-3 %.

VSD. Otra opción es instalar un variador de velocidad (VSD) en el ventilador que mejora la capacidad de controlar el aire de combustión, especialmente si el ventilador es de gran tamaño. Con un mejor control del aire, hay más control de la relación aire-combustible, lo que se traduce en una combustión mejor, más precisa y más eficiente. Y, al hacerlo, se pueden lograr emisiones de NOx bajas y ultra bajas.

Un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) puede ayudar a reducir las emisiones de NOx hasta en un 94 %. Por ejemplo, si una instalación tiene un quemador no controlado con 100 ppm de NOx, un sistema SCR puede reducir las emisiones a 6 ppm de NOx. Otro beneficio de los sistemas SCR es que al utilizar algunas de las tecnologías de quemadores anteriores, se requiere menos catalizador.

En un quemador de 30 ppm, se pueden lograr 5–6 ppm de NOx con SCR, mientras se usa menos catalizador. Esta solución funciona con cualquier combustible si la temperatura de los gases de combustión está dentro del rango de 400 a 700 ºF. En este rango de temperatura, el catalizador exhibe su mayor nivel de actividad. El lecho del catalizador se puede diseñar para caudales de escape de pequeños a muy grandes de millones de columnas por hora, y la inyección de amoníaco se puede variar para acomodar varios combustibles para aplicaciones de encendido simultáneo y de múltiples combustibles.

Tenga en cuenta que hay un par de limitaciones con SCR. Una es que el flujo de gases de combustión no puede contener demasiadas partículas. De lo contrario, el catalizador se tapará rápidamente. Hay diferentes lanzamientos de catalizadores que se pueden usar para mitigar este problema. Además, el catalizador puede desactivarse en presencia de ciertas sustancias, como venenos para catalizadores.

Además, debido a que el amoníaco es una base, la concentración de ácido de los gases de combustión debe controlarse de cerca en este tipo de sistema. Por debajo del punto de rocío ácido, el amoníaco se combinará con un ácido para formar una sal, que puede obstruir el propio catalizador. La figura 7 ilustra cómo funciona un sistema SCR para reducir las emisiones y el NOx.

FIGURA 7. Se utiliza un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir aún más las emisiones aguas abajo de los procesos de combustión

En un sistema SCR, la reacción de amoníaco con NOx ocurrirá naturalmente a altas temperaturas, alrededor de 1,600˚F. Esta reacción descompone el NOx, NO y NO2 en agua inofensiva y gases de nitrógeno.

La introducción de amoníaco en el sistema de la caldera agrega una nueva emisión que debe contenerse: el escape de amoníaco. Este es el amoníaco sin reaccionar que se abre camino a través del sistema SCR.

Los límites de deslizamiento de amoníaco en la pila suelen estar entre 2 y 10 ppm. Debido al límite de deslizamiento, el caudal de amoníaco debe controlarse con precisión para que coincida con el caudal de NOx. Esta función está controlada por una unidad de control de flujo de amoníaco. Además, para minimizar el escape de amoníaco, el patrón de inyección de amoníaco debe coincidir con el patrón de distribución de NOx.

Esta función del amoníaco es parte de la red de inyección de amoníaco. A medida que fluye el gas de escape, el control de flujo de amoníaco monitorea la cantidad de amoníaco que ingresa al área de la rejilla de inyección de amoníaco. En el interior, se mezcla con los gases de escape, atraviesa y sale del catalizador. Nuevamente, con SCR, N2 y H2O son los subproductos.

La industria de las calderas seguirá esforzándose por reducir las emisiones de NOx. Además de reducir las emisiones de NOx, se hace hincapié en la reducción de la huella de carbono.

En un futuro próximo, busque tecnologías que se implementarán dentro de estos ciclos de combustión no solo para reducir las emisiones de NOx, sino también para reducir la cantidad de emisiones de carbono del proceso de combustión. Los sistemas de captura de carbono y otras tecnologías están ganando más terreno.

Otro enfoque para nuestra industria es la eficiencia energética. Los equipos de mayor eficiencia utilizan mejor el calor, lo que naturalmente reduce la cantidad de combustible necesario para quemar y, por lo tanto, las emisiones (Figura 8).

FIGURA 8. Reemplazar un quemador heredado (A) con un nuevo quemador de bajo NOx (B) ayudó a esta planta a reducir las emisiones de NOx de 90 a 24 ppm. Además, se redujeron los ciclos y el exceso de aire, aumentando la eficiencia general y reduciendo el uso de combustible en un 10 %.

Por último, también hay un gran enfoque en los combustibles renovables y de ingeniería, especialmente en el lado de la hidrónica. Los combustibles renovables tienen menos subproductos de emisiones, lo que ayuda a muchas empresas a lograr sus objetivos de sostenibilidad. ■

1. Lograr el equilibrio en la combustión, Chem. Ing., agosto de 2022, págs. 14–17.

2. Nuevas formas de lograr un mejor control de las emisiones, Chem. Ing., enero de 2021, págs. 12–15.

3. Técnicas de bajo costo para la reducción de NOx, Chem. Ing., mayo de 2020, págs. 30–36.

4. Equipos y Tecnología de Combustión Cerrada, Chem. Ing., enero de 2018, págs. 46–49.

Jonathan Stoeger es gerente de aplicaciones y ventas internas para Burner Systems Group de Cleaver-Brooks (221 Law St; Thomasville, GA 31792; correo electrónico: [email protected]; sitio web: www.cleaverbrooks.com). Ha estado en Cleaver-Brooks durante 17 años y ha servido en el comité del Código CSD-1 de ASME (Dispositivos de control y seguridad para calderas de encendido automático), y actualmente es miembro suplente del comité. Stoeger tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Wisconsin-Platteville.