Un precalentador de aire es cualquier dispositivo diseñado para calentar el aire antes de otro proceso (por ejemplo, la combustión en una caldera), con el objetivo principal de aumentar la eficiencia térmica del proceso. Pueden utilizarse solos o en sustitución de un sistema de recuperación de calor o de un serpentín de vapor.
En particular, este artículo describe los precalentadores de aire de combustión utilizados en grandes calderas que se encuentran en centrales térmicas que producen energía eléctrica a partir de, por ejemplo, combustibles fósiles , biomasa o residuos . [1] [2] [3] [4] [5] Por ejemplo, como al precalentador de aire Ljungström se le ha atribuido un ahorro mundial de combustible estimado en 4.960.000.000 de toneladas de petróleo , "pocas invenciones han tenido tanto éxito en el ahorro de combustible como el precalentador de aire Ljungström", marcado como el 44º Hito Histórico Internacional de Ingeniería Mecánica por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos . [6]
El propósito del precalentador de aire es recuperar el calor de los gases de combustión de la caldera , lo que aumenta la eficiencia térmica de la caldera al reducir la pérdida de calor útil en los gases de combustión. Como consecuencia, los gases de combustión también se transportan a la chimenea de gases de combustión a una temperatura más baja, lo que permite un diseño simplificado del sistema de transporte y de la chimenea de gases de combustión. También permite controlar la temperatura de los gases que salen de la chimenea (para cumplir con las regulaciones de emisiones, por ejemplo). Se instala entre el economizador y la chimenea.
Hay dos tipos de precalentadores de aire para su uso en generadores de vapor en centrales térmicas : uno es un tipo tubular integrado en el conducto de gases de combustión de la caldera, y el otro es un precalentador de aire regenerativo . [1] [2] [7] Estos pueden estar dispuestos de modo que el gas fluya horizontal o verticalmente a través del eje de rotación.
Otro tipo de precalentador de aire es el regenerador utilizado en la fabricación de hierro o vidrio.
Los precalentadores tubulares están formados por haces de tubos rectos que pasan por los conductos de salida de la caldera y se abren en cada extremo fuera de los conductos. Dentro de los conductos, los gases calientes del horno pasan alrededor de los tubos del precalentador, transfiriendo calor de los gases de escape al aire dentro del precalentador. El aire ambiente es impulsado por un ventilador a través de los conductos en un extremo de los tubos del precalentador y en el otro extremo el aire calentado del interior de los tubos emerge a otro conjunto de conductos, que lo lleva al horno de la caldera para su combustión.
Los conductos de precalentamiento tubulares para aire frío y caliente requieren más espacio y soportes estructurales que un diseño de precalentamiento giratorio. Además, debido a los gases de combustión abrasivos cargados de polvo, los tubos fuera de los conductos se desgastan más rápido en el lado que da a la corriente de gas. Se han realizado muchos avances para eliminar este problema, como el uso de cerámica y acero endurecido.
Muchos nuevos generadores de vapor de lecho fluidizado circulante (CFB) y de lecho fluidizado burbujeante (BFB) incorporan actualmente calentadores de aire tubulares que ofrecen una ventaja con respecto a las partes móviles de tipo rotatorio.
La corrosión por punto de rocío se produce por diversas razones. [8] [9] El tipo de combustible utilizado, su contenido de azufre y su contenido de humedad son factores que contribuyen. Sin embargo, el factor más importante con diferencia en la corrosión por punto de rocío es la temperatura del metal de los tubos. Si la temperatura del metal dentro de los tubos cae por debajo de la temperatura de saturación del ácido, normalmente entre 190 °F (88 °C) y 230 °F (110 °C), pero a veces a temperaturas tan altas como 260 °F (127 °C), entonces el riesgo de daños por corrosión por punto de rocío se vuelve considerable.
Existen dos tipos de precalentadores de aire regenerativos : los precalentadores de aire regenerativos de placa giratoria (RAPH) y los precalentadores de aire regenerativos de placa estacionaria (Rothemuhle). [1] [2] [3] [10]
El diseño de placa giratoria (RAPH) [2] consiste en un elemento de placa giratoria central instalado dentro de una carcasa que está dividida en dos ( tipo bisector ), tres ( tipo trisector ) o cuatro ( tipo cuádruple sector ) sectores que contienen sellos alrededor del elemento. Los sellos permiten que el elemento gire a través de todos los sectores, pero mantienen la fuga de gas entre sectores al mínimo mientras proporcionan rutas separadas de aire y gases de combustión a través de cada sector.
Los tipos de tres sectores son los más comunes en las instalaciones de generación de energía modernas. [12] En el diseño de tres sectores, el sector más grande (que generalmente abarca aproximadamente la mitad de la sección transversal de la carcasa) está conectado a la salida de gas caliente de la caldera. El gas de escape caliente fluye sobre el elemento central, transfiriendo parte de su calor al elemento, y luego se conduce hacia afuera para su posterior tratamiento en colectores de polvo y otros equipos antes de ser expulsado de la chimenea de gases de combustión . El segundo sector, más pequeño, se alimenta con aire ambiente mediante un ventilador , que pasa sobre el elemento calentado a medida que gira dentro del sector, y se calienta antes de ser llevado al horno de la caldera para la combustión. El tercer sector es el más pequeño y calienta el aire que se dirige a los pulverizadores y se usa para llevar la mezcla de carbón y aire a los quemadores de la caldera de carbón. Por lo tanto, el aire total calentado en el RAPH proporciona: aire de calentamiento para eliminar la humedad del polvo de carbón pulverizado, aire portador para transportar el carbón pulverizado a los quemadores de la caldera y el aire primario para la combustión.
El rotor en sí es el medio de transferencia de calor en este sistema y, por lo general, está compuesto de algún tipo de estructura de acero o cerámica . Gira muy lentamente (alrededor de 1 a 2 RPM ) para permitir una transferencia de calor óptima, primero de los gases de escape calientes al elemento y luego, a medida que gira, del elemento al aire más frío en los otros sectores.
En este diseño, toda la carcasa del precalentador de aire se apoya en la propia estructura de soporte de la caldera con las juntas de expansión necesarias en los conductos.
El rotor vertical se apoya sobre cojinetes de empuje en el extremo inferior y tiene una lubricación por baño de aceite, enfriado por agua que circula en serpentines dentro del baño de aceite. Esta disposición es para enfriar el extremo inferior del eje, ya que este extremo del rotor vertical está en el extremo caliente de la conducción. El extremo superior del rotor tiene un cojinete de rodillos simple para mantener el eje en posición vertical.
El rotor está construido sobre el eje vertical con soportes radiales y jaulas para mantener las cestas en posición. También se proporcionan placas de sellado radiales y circunferenciales para evitar fugas de gases o aire entre los sectores o entre el conducto y la carcasa durante la rotación.
Para la limpieza en línea de los depósitos de las cestas se han previsto chorros de vapor que recogen el polvo y las cenizas expulsados en la tolva de cenizas inferior del precalentador de aire. Esta tolva de polvo está conectada para su vaciado junto con las tolvas de polvo principales de los colectores de polvo.
El rotor gira mediante un motor y un engranaje accionados por aire, y es necesario ponerlo en marcha antes de poner en marcha la caldera y también mantenerlo en rotación durante algún tiempo después de que se detenga la caldera, para evitar que la expansión y contracción desiguales provoquen deformaciones o grietas en el rotor. El aire de la estación generalmente es totalmente seco (se requiere aire seco para la instrumentación), por lo que el aire que se utiliza para accionar el rotor se inyecta con aceite para lubricar el motor neumático.
Se proporcionan ventanas de inspección protegidas de seguridad para ver el funcionamiento interno del precalentador en todas las condiciones de operación.
Las cestas se encuentran en los alojamientos sectoriales previstos en el rotor y son renovables. La vida útil de las cestas depende de la abrasividad de las cenizas y de la corrosividad de los gases de salida de la caldera.
Los gases de combustión de la caldera contienen muchas partículas de polvo (debido al alto contenido de cenizas) que no contribuyen a la combustión, como la sílice, que provoca un desgaste abrasivo de las cestas, y también pueden contener gases corrosivos según la composición del combustible. Por ejemplo, los carbones indios suelen dar lugar a altos niveles de cenizas y sílice en los gases de combustión. Por tanto, el desgaste de las cestas suele ser mayor que el de otros combustibles de combustión más limpia.
En este RAPH, los gases corrosivos de la caldera cargados de polvo tienen que pasar entre los elementos de las cestas del precalentador de aire. Los elementos están formados por placas corrugadas en zigzag presionadas en una cesta de acero, dejando suficiente espacio anular entre ellas para que pase el gas. Estas placas están corrugadas para dar más superficie para que se absorba el calor y también para darles la rigidez necesaria para apilarlas en las cestas. Por lo tanto, se requieren reemplazos frecuentes y siempre se tienen cestas nuevas listas. En los primeros días, se usaba acero Corten para los elementos. Hoy, debido al avance tecnológico, muchos fabricantes pueden usar sus propias patentes. Algunos fabricantes suministran diferentes materiales para el uso de los elementos para prolongar la vida útil de las cestas.
En algunos casos, los depósitos no quemados pueden formarse en los elementos del precalentador de aire, lo que puede provocar que se incendien durante el funcionamiento normal de la caldera y dar lugar a explosiones en el interior del precalentador de aire. En ocasiones, pueden detectarse explosiones leves en la sala de control por variaciones en las temperaturas de entrada y salida del aire de combustión.
Los elementos de la placa calefactora de este tipo de precalentador de aire regenerativo también están instalados en una carcasa, pero los elementos de la placa calefactora son fijos en lugar de rotar. En cambio, los conductos de aire del precalentador giran para exponer alternativamente secciones de los elementos de la placa calefactora al aire frío ascendente. [1] [2] [3]
Como se indica en el dibujo adyacente, hay conductos de entrada de aire giratorios en la parte inferior de las placas estacionarias similares a los conductos de salida de aire giratorios en la parte superior de las placas estacionarias. [13]
Los precalentadores de aire regenerativos de placa estacionaria, también conocidos como precalentadores Rothemuhle, son fabricados desde hace más de 25 años por Balke-Dürr GmbH de Ratingen , Alemania .
Un regenerador consiste en un entramado de ladrillos: ladrillos colocados con espacios equivalentes al ancho de un ladrillo entre ellos, de modo que el aire pueda fluir con relativa facilidad a través del entramado. La idea es que, a medida que los gases de escape calientes fluyen a través del entramado, ceden calor a los ladrillos. Luego, el flujo de aire se invierte, de modo que los ladrillos calientes calientan el aire de combustión entrante y el combustible. En un horno de fundición de vidrio, un regenerador se ubica a cada lado del horno, a menudo formando un todo integral. En un alto horno , los regeneradores (comúnmente llamados estufas Cowper ) se ubican separados del horno. Un horno necesita no menos de dos estufas, pero puede tener tres. Una de las estufas está "a gas", recibiendo gases calientes de la parte superior del horno y calentando el entramado en el interior, mientras que la otra está "a ráfaga", recibiendo aire frío de los sopladores, calentándolo y pasándolo al alto horno.