La caldera de recuperación es la parte del proceso kraft de despulpe en la que los productos químicos para el licor blanco se recuperan y se reforman a partir del licor negro , que contiene lignina de madera procesada previamente. El licor negro se quema, generando calor, que generalmente se utiliza en el proceso de producción de electricidad, de manera muy similar a una planta de energía a vapor convencional . La invención de la caldera de recuperación por GH Tomlinson a principios de la década de 1930 fue un hito en el avance del proceso kraft. [1]
Las calderas de recuperación también se utilizan en el proceso de pulpa de madera al sulfito (menos común) ; este artículo trata únicamente del uso de calderas de recuperación en el proceso kraft.
El licor negro concentrado contiene residuos orgánicos de madera disueltos además de sulfato de sodio proveniente de los químicos de cocción agregados en el digestor. La combustión de la porción orgánica de los químicos produce calor. En la caldera de recuperación, el calor se utiliza para producir vapor a alta presión, que se utiliza para generar electricidad en una turbina. El vapor a baja presión que sale de los gases de escape de la turbina se utiliza para el calentamiento del proceso.
La combustión de licor negro en el horno de la caldera de recuperación debe controlarse cuidadosamente. La alta concentración de azufre requiere condiciones óptimas de proceso para evitar la producción de dióxido de azufre y reducir las emisiones de gas de azufre. Además de una combustión ambientalmente limpia, se debe lograr la reducción del azufre inorgánico en el lecho de carbón.
En la caldera de recuperación se producen varios procesos:
Algunas características de la caldera de recuperación original se han mantenido inalteradas hasta el día de hoy. Fue el primer tipo de equipo de recuperación en el que todos los procesos se producían en un único recipiente. El secado, la combustión y las reacciones posteriores del licor negro se producen en el interior de un horno refrigerado. Esta es la idea principal del trabajo de Tomlinson.
En segundo lugar, la combustión se ve facilitada por la pulverización del licor negro en pequeñas gotas. El control del proceso mediante la pulverización dirigida resultó fácil. La pulverización se utilizó en los primeros hornos rotatorios y HK Moore la adaptó con cierto éxito a los hornos estacionarios. En tercer lugar, se puede controlar el lecho de carbón teniendo un nivel de aire primario en la superficie del lecho de carbón y más niveles por encima. CL Wagner introdujo el sistema de aire de múltiples niveles.
Las calderas de recuperación también mejoraron la eliminación del material fundido, que se extrae directamente del horno a través de conductos de salida hacia un tanque de disolución. Algunas de las primeras unidades de recuperación empleaban el precipitador electrostático de Cottrell para la recuperación del polvo.
Babcock & Wilcox se fundó en 1867 y ganó fama temprana con sus calderas acuotubulares . La empresa construyó y puso en servicio la primera caldera de recuperación de licor negro del mundo en 1929. [2] A esta le siguió pronto una unidad con un horno completamente refrigerado por agua en Windsor Mills en 1934. Después de los hornos de reverbero y rotatorios, la caldera de recuperación estaba en camino.
El segundo pionero, Combustion Engineering (ahora GE), basó su diseño de caldera de recuperación en el trabajo de William M. Cary, quien en 1926 diseñó tres hornos para operar con pulverización directa de licor y en el trabajo de Adolph W. Waern y sus unidades de recuperación.
Las calderas de recuperación pronto fueron autorizadas y producidas en Escandinavia y Japón. Estas calderas fueron construidas por fabricantes locales a partir de planos y con instrucciones de los licenciantes. Una de las primeras unidades Tomlinson escandinavas empleaba un horno de 8,0 m de alto que tenía un fondo de horno de 2,8 × 4,1 m que se expandía a 4,0 × 4,1 m en la entrada del sobrecalentador. [3]
Esta unidad dejaba de producirse todos los fines de semana. Al principio, los economizadores debían lavarse con agua dos veces al día, pero después de la instalación del soplador de hollín a finales de los años 40, los economizadores podían limpiarse durante la parada habitual de los fines de semana.
La construcción utilizada tuvo mucho éxito. Una de las primeras calderas escandinavas de 160 t/día en Korsnäs, todavía funcionaba casi 50 años después. [4]
El uso de calderas de recuperación de kraft se extendió rápidamente a medida que la recuperación química funcional le dio a la pulpa kraft una ventaja económica sobre la pulpa al sulfito. [5]
Las primeras calderas de recuperación tenían superficies de evaporación horizontales, seguidas de sobrecalentadores y más superficies de evaporación. Estas calderas se parecían a las calderas de última generación de unos 30 años antes. Esta tendencia ha continuado hasta hoy. Dado que una parada en la línea de producción cuesta mucho dinero, la tecnología adoptada en las calderas de recuperación tiende a ser conservadora.
Las primeras calderas de recuperación tenían graves problemas de incrustaciones . [6]
El espaciamiento entre tubos lo suficientemente amplio para el funcionamiento normal de una caldera de carbón tuvo que ser mayor para las calderas de recuperación. Esto dio un rendimiento satisfactorio de aproximadamente una semana antes de un lavado con agua. También se adoptaron rápidamente sopladores de hollín mecánicos. Para controlar las pérdidas químicas y reducir el costo de los productos químicos adquiridos, se agregaron precipitadores electrostáticos . La reducción de las pérdidas de polvo en los gases de combustión tiene más de 60 años de práctica.
También se deben tener en cuenta los cabezales cuadrados en la caldera de recuperación de 1940. Los niveles de aire en las calderas de recuperación pronto se estandarizaron a dos: un nivel de aire primario en el nivel del lecho de carbón y un nivel secundario encima de las pistolas de licor.
En las primeras décadas, el revestimiento del horno era de ladrillo refractario. El flujo de fundición sobre las paredes provocó una gran sustitución y pronto se desarrollaron diseños que eliminaron el uso de ladrillos.
Para lograr un funcionamiento sólido y bajas emisiones, el sistema de aire de la caldera de recuperación debe diseñarse adecuadamente. El desarrollo de sistemas de aire continúa y ha continuado desde que existen las calderas de recuperación. [7] Tan pronto como se alcanza el objetivo establecido para el sistema de aire, se establecen nuevos objetivos. Actualmente, los nuevos sistemas de aire han logrado un bajo nivel de NOx, pero aún se está trabajando para reducir la suciedad. La Tabla 1 visualiza el desarrollo de los sistemas de aire.
Tabla 1: Desarrollo de sistemas de aire. [7]
El sistema de aire de primera generación en los años 1940 y 1950 consistía en una disposición de dos niveles: aire primario para mantener la zona de reducción y aire secundario debajo de las pistolas de licor para la oxidación final. [8] El tamaño de la caldera de recuperación era de 100 a 300 TDS (toneladas de sólidos secos) por día y la concentración de licor negro del 45 al 55%. Con frecuencia, para mantener la combustión, era necesario encender combustible auxiliar. El aire primario era del 60 al 70% del aire total y el secundario el resto. En todos los niveles, las aberturas eran pequeñas y las velocidades de diseño eran de 40 a 45 m/s. Ambos niveles de aire funcionaban a 150 °C. La pistola o las pistolas de licor oscilaban. Los principales problemas eran el alto arrastre , el taponamiento y la baja reducción. Pero la función, la combustión del licor negro, podía cumplirse.
El sistema de aire de segunda generación tenía como objetivo una alta reducción. En 1954, CE trasladó su aire secundario de aproximadamente 1 m por debajo de las pistolas de licor a aproximadamente 2 m por encima de ellas. [8] Las proporciones y temperaturas del aire permanecieron iguales, pero para aumentar la mezcla se utilizaron velocidades de aire secundario de 50 m/s. CE cambió su secundario de pared frontal/pared posterior a encendido tangencial en ese momento. En el sistema de aire tangencial, las boquillas de aire están en las esquinas del horno. El método preferido es crear un remolino de casi todo el ancho del horno. En unidades grandes, el remolino causaba desequilibrios a la izquierda y a la derecha. Este tipo de sistema de aire con mayores sólidos secos logró aumentar las temperaturas inferiores del horno y lograr una reducción razonable. B&W ya había adoptado la alimentación de aire de tres niveles para entonces.
El sistema de aire de tercera generación fue el de tres niveles. En Europa, el uso de tres niveles de alimentación de aire con primario y secundario debajo de las pistolas de licor comenzó alrededor de 1980. Al mismo tiempo, el encendido estacionario ganó terreno. El uso de aproximadamente el 50% de secundario pareció dar lugar a un horno inferior caliente y estable. [9] Se empezaron a utilizar sólidos de licor negro más altos, del 65 al 70%. Se informó de un horno inferior más caliente y una reducción mejorada. Con aire de tres niveles y sólidos secos más altos, las emisiones de azufre pudieron mantenerse en su lugar.
Los sistemas de aire de cuarta generación son el aire multinivel y el aire vertical. A medida que aumenta el aporte de sólidos secos de licor negro a la caldera de recuperación, el objetivo del sistema de aire ya no es lograr bajas emisiones de azufre. En cambio, los nuevos objetivos son el bajo nivel de NOx y el bajo arrastre.
El sistema de aire de tres niveles fue una mejora significativa, pero se requerían mejores resultados. El uso de modelos CFD ofreció una nueva perspectiva del funcionamiento del sistema de aire. El primero en desarrollar un nuevo sistema de aire fue Kvaerner (Tampella) con su aire secundario multinivel de 1990 en Kemi, Finlandia, que luego se adaptó a una cadena de grandes calderas de recuperación. [10] Kvaerner también patentó el sistema de aire de cuatro niveles, donde se agrega un nivel de aire adicional por encima del nivel de aire terciario. Esto permite una reducción significativa de NOx.
La mezcla de aire vertical fue inventada por Erik Uppstu. [11] Su idea es convertir la mezcla vertical tradicional en una mezcla horizontal. Los chorros muy espaciados formarán un plano. En las calderas tradicionales, este plano se ha formado con aire secundario. Al colocar los planos en una disposición de 2/3 o 3/4, se mejoraron los resultados de la mezcla. El aire vertical tiene el potencial de reducir el NOx, ya que el aire de escalonamiento ayuda a disminuir las emisiones. [12] En la mezcla de aire vertical, el suministro de aire primario se organiza de manera convencional. El resto de los puertos de aire se colocan en una disposición entrelazada de 2/3 o 3/4.
El licor negro cocido es una mezcla de sustancias orgánicas, inorgánicas y agua. Normalmente, la cantidad de agua se expresa como la relación de masa de licor negro seco por unidad de licor negro antes del secado. Esta relación se denomina sólidos secos de licor negro.
Si el contenido de sólidos secos del licor negro es inferior al 20 % o el contenido de agua en el licor negro es superior al 80 %, el valor calorífico neto del licor negro es negativo. Esto significa que todo el calor de la combustión de los componentes orgánicos del licor negro se gasta en evaporar el agua que contiene. Cuanto mayor sea el contenido de sólidos secos, menos agua contendrá el licor negro y más alta será la temperatura de combustión adiabática.
Los sólidos secos del licor negro siempre han estado limitados por la capacidad de evaporación disponible. [13] Los sólidos secos del licor negro virgen de las calderas de recuperación se muestran en función del año de compra de esa caldera.
Al observar los sólidos secos del licor negro virgen, observamos que, en promedio, los sólidos secos han aumentado. Esto es especialmente cierto para las calderas de recuperación más nuevas y de gran tamaño. Los sólidos secos de diseño para plantas nuevas han sido del 80 o el 85 % de sólidos secos. El 80 % (o antes de eso, el 75 %) de sólidos secos se ha utilizado en Asia y Sudamérica. El 85 % (o antes de eso, el 80 %) se ha utilizado en Escandinavia y Europa.
El desarrollo de la presión y temperatura del vapor principal de las calderas de recuperación fue rápido al principio. En 1955, menos de 20 años después del nacimiento de las calderas de recuperación, las presiones de vapor más altas eran de 10,0 MPa y 480 °C. Las presiones y temperaturas utilizadas en ese momento se redujeron un poco debido a la seguridad. [14] En 1980, había alrededor de 700 calderas de recuperación en el mundo. [9]
Desarrollo de parámetros de presión, temperatura y capacidad de la caldera de recuperación.
Uno de los principales peligros en el funcionamiento de las calderas de recuperación es la explosión del agua de fundición. Esto puede ocurrir si incluso una pequeña cantidad de agua se mezcla con los sólidos a alta temperatura. La explosión del agua de fundición es un fenómeno puramente físico. El fenómeno de explosión del agua de fundición ha sido estudiado por Grace. [15] En 1980 había alrededor de 700 calderas de recuperación en el mundo. [9] El mecanismo de explosión de tipo líquido-líquido se ha establecido como una de las principales causas de las explosiones de las calderas de recuperación.
En caso de explosión de agua de fundición, incluso unos pocos litros de agua, al mezclarse con el material fundido, pueden convertirse violentamente en vapor en unas décimas de segundo. El lecho de carbón y el agua pueden coexistir, ya que la capa de vapor reduce la transferencia de calor. Algún evento desencadenante destruye el equilibrio y el agua se evapora rápidamente a través del contacto directo con el material fundido. Esta evaporación repentina provoca un aumento de volumen y una onda de presión de unos 10 000 – 100 000 Pa. La fuerza suele ser suficiente para hacer que todas las paredes del horno se deformen. La seguridad del equipo y del personal requiere un apagado inmediato de la caldera de recuperación si existe la posibilidad de que haya entrado agua en el horno. Todas las calderas de recuperación deben estar equipadas con una secuencia especial de apagado automático.
El otro tipo de explosión es la explosión de gases combustibles. Para que esto ocurra, el combustible y el aire deben mezclarse antes de la ignición. Las condiciones típicas son un apagón (pérdida de llama) sin purga del horno o un funcionamiento continuo en un estado subestequiométrico. Para detectar el apagón se instalan dispositivos de monitoreo de llama, con purga y arranque interconectados posteriores. Las explosiones de gases combustibles están relacionadas con la combustión de petróleo/gas en la caldera. Como también se practica un monitoreo continuo de O2 en prácticamente todas las calderas, las explosiones de gases no combustibles se han vuelto muy raras.
La caldera de recuperación moderna tiene un diseño de tambor único, con un banco de generación de vapor vertical y sobrecalentadores con un amplio espacio entre ellos. Este diseño fue propuesto por primera vez por Colin MacCallum en 1973 en una propuesta de Götaverken (ahora Metso Power Inc.) para una caldera de recuperación grande con una capacidad de 4.000.000 lb de sólidos de licor negro por día para una caldera en Skutskär, Suecia, pero este diseño fue rechazado por ser demasiado avanzado en ese momento por el futuro propietario. MacCallum presentó el diseño en BLRBAC y en un artículo "The Radiant Recovery Boiler" impreso en la revista Tappi en diciembre de 1980. La primera caldera de este diseño de tambor único fue vendida por Götaverken en Leaf River en Mississippi en 1984. La construcción del banco de generación de vapor vertical es similar a la del economizador vertical. El banco de calderas vertical es fácil de mantener limpio. El espacio entre los paneles del sobrecalentador aumentó y se estabilizó en más de 300 pero por debajo de 400 mm. La separación amplia de los sobrecalentadores ayuda a minimizar la formación de incrustaciones. Esta disposición, en combinación con los atemperadores de agua dulce, garantiza la máxima protección contra la corrosión. Se han realizado numerosas mejoras en los materiales de las calderas de recuperación para limitar la corrosión. [16] [17] [18] [19]
El efecto de aumentar la concentración de sólidos secos ha tenido un efecto significativo en las principales variables operativas. El flujo de vapor aumenta con el aumento del contenido de sólidos secos del licor negro. Aumentar el cierre de la planta de pulpa significa que habrá menos calor por unidad de sólidos secos del licor negro disponible en el horno. La pérdida de calor de los gases de combustión disminuirá a medida que disminuya el flujo de gases de combustión. Aumentar los sólidos secos del licor negro es especialmente útil ya que la capacidad de la caldera de recuperación a menudo está limitada por el flujo de gases de combustión.
Una caldera de recuperación moderna consta de superficies de transferencia de calor hechas de tubo de acero; horno-1, sobrecalentadores-2, banco de generación de calderas-3 y economizadores-4. El diseño del tambor de vapor-5 es del tipo de tambor único. El aire y el licor negro se introducen a través de los puertos de aire primario y secundario-6, pistolas de licor-7 y puertos de aire terciario-8. El residuo de combustión, el fundido, sale a través de los picos de fundido-9 al tanque de disolución-10.
La carga nominal del horno ha aumentado durante los últimos diez años y seguirá aumentando. [20] Los cambios en el diseño del aire han aumentado las temperaturas del horno. [21] [22] [23] [24] Esto ha permitido un aumento significativo en la carga de sólidos del hogar (HSL) con solo un aumento modesto en el diseño de la tasa de liberación de calor del hogar (HHRR). El flujo promedio de gases de combustión disminuye a medida que hay menos vapor de agua presente. Por lo tanto, las velocidades verticales de los gases de combustión se pueden reducir incluso con temperaturas crecientes en el horno inferior.
El cambio más notable ha sido la adopción de la construcción de un solo tambor. Este cambio se ha visto afectado en parte por un control de calidad del agua más fiable. Las ventajas de una caldera de un solo tambor en comparación con una caldera de dos tambores son la mayor seguridad y disponibilidad. Las calderas de un solo tambor se pueden construir para presiones más altas y mayores capacidades. Se pueden lograr ahorros con un menor tiempo de montaje. Hay menos juntas de tubos en la construcción de un solo tambor, por lo que se pueden construir tambores con curvas de arranque mejoradas.
La construcción del banco de generación de vapor vertical es similar al economizador vertical, que según la experiencia es muy fácil de mantener limpio. [25] La trayectoria del flujo de gases de combustión vertical mejora la capacidad de limpieza con una alta carga de polvo. [26] Para minimizar el riesgo de taponamiento y maximizar la eficiencia de la limpieza, tanto el banco de generación como los economizadores están dispuestos en un espaciado lateral generoso. El taponamiento de un banco de calderas de dos tambores a menudo se debe al espaciado ajustado entre los tubos.
Se ha aumentado el espaciamiento entre los paneles de sobrecalentadores. Todos los sobrecalentadores están ahora ampliamente espaciados para minimizar la suciedad. Esta disposición, en combinación con los atemperadores de agua dulce, garantiza la máxima protección contra la corrosión. Con un espaciamiento amplio, la obstrucción de los sobrecalentadores se vuelve menos probable, la limpieza de los depósitos es más fácil y el consumo de vapor para la eliminación de hollín es menor. El mayor número de sobrecalentadores facilita el control de la temperatura del vapor de salida del sobrecalentador, especialmente durante los arranques.
Los bucles inferiores de los sobrecalentadores más calientes pueden estar hechos de material austenítico, con mejor resistencia a la corrosión. La velocidad del vapor en los tubos del sobrecalentador más caliente es alta, lo que reduce la temperatura de la superficie del tubo. Las bajas temperaturas de la superficie del tubo son esenciales para evitar la corrosión del sobrecalentador. Una alta pérdida de presión del lado del vapor sobre los sobrecalentadores calientes asegura un flujo de vapor uniforme en los elementos del tubo.
Las calderas de recuperación han sido el modo preferido de recuperación química de los molinos de papel kraft desde la década de 1930 y el proceso ha mejorado considerablemente desde la primera generación. Ha habido intentos de reemplazar la caldera de recuperación Tomlinson con sistemas de recuperación que produzcan una mayor eficiencia. El candidato más prometedor parece ser la gasificación, [27] [28] donde la tecnología de Chemrec para la gasificación de licor negro mediante flujo arrastrado podría resultar un fuerte contendiente. [29]
Incluso si la nueva tecnología es capaz de competir con la tecnología tradicional de calderas de recuperación, la transición será probablemente gradual. En primer lugar, se puede esperar que los fabricantes de calderas de recuperación como Metso , Andritz y Mitsubishi sigan desarrollando sus productos. En segundo lugar, las calderas de recuperación Tomlinson tienen una larga vida útil, a menudo alrededor de 40 años, y probablemente no se reemplazarán hasta el final de su vida útil económica, y mientras tanto pueden actualizarse a intervalos de 10 a 15 años.
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